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Leistungsdichte bis zu 140 W/Inch3

400-V-CoolSiC-MOSFETs eröffnen hohe Effizienz

18. September 2024, 8:00 Uhr | Von Dr. Martin, Wattenberg, Sriram Jagannath und Dr. Ralf Siemieniec, Infineon Technologies

Bild 1: Anwendungsbeispiele für CoolSiC 400 V: zweistufige und dreistufige bidirektionale Totem-Pole-Topologie, je nach Wechselspannung

Um KI-Server- und Telekommunikationsnetzteile mit Ausgangsleistungen von 5,5 bis 8 kW zu bauen, die einen Wirkungsgrad von 99,5 Prozent bieten und Leistungsdichten von bis zu 140 W/Inch3 erreichen, werden neue Leistungshalbleiter wie der »CoolSiC MOSFET 400 V G2« von Infineon Technologies benötigt.

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Infineons »CoolSiC MOSFETs 400 V G2« schließen die Lücke zwischen den 200-V-Si-Trench-MOSFETs und den 650-V-SiC-Trench-MOSFETs. Sie eignen sich für Zwei-Level-Topologien für Busspannungen bis 300 V DC und unterstützen die Einführung innovativer Drei-Level-Topologien für Busspannungen bis 600 V DC. Sie zeichnen sich durch extrem niedrige Schaltverluste und einen geringen Durchlasswiderstand (RDS(on)) aus, wodurch sie sich ideal für eine Vielzahl von Anwendungen eignen, darunter Stromversorgungen für KI-Server und Rechenzentren, Solar- und Energiespeichersysteme, unterbrechungsfreie Stromversorgung, Motorsteuerungen und Class-D-Audioverstärker.

Optimiert sind die CoolSiC MOSFETs 400 V G2 sowohl für 2-Level-Topologien mit einer Eingangsspannung von 120 V AC oder bis zu 300 V DC als auch für 3-Level-Topologien mit Eingangsspannungen von 230 bis 350 V AC oder 400 bis 600 V DC. Daher bieten die Bauteile signifikante Verbesserungen bei den Figures of Merit (FoMs) und der RDS(on)-Stabilität über die Sperrschichttemperatur. Sie sind damit ideal für hart schaltende Anwendungen, beispielsweise brückenlose bidirektionale Totem-Pole-PFCs (Bild 1), sowie für weich schaltende Anwendungen, zum Beispiel Synchrongleichrichter, um die höchstmögliche Systemeffizienz und Leistungsdichte zu erreichen und gleichzeitig das Preis-Leistungs-Verhältnis zu optimieren.

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Dieser Artikel beleuchtet die Technologie hinter den CoolSiC MOSFETs 400 V G2 näher. Dabei werden die erwarteten Wirkungsgrade und Verbesserungen in der Leistungsdichte durch Messungen in einem 3-Level-Totem-Pole-PFC-Demonstrator mit Flying Capacitor gezeigt. Der Vergleich der Ergebnisse mit denen einer herkömmlichen 2-Level-Totem-Pole-PFC mit 650-V-SiC-MOSFETs unterstreicht zum einen die Vorteile dieser innovativen Technologie und zum anderen ihr Potenzial, die Branche grundlegend zu verändern.

Neue 400-V-SiC-Trench-MOSFETs im TOLL-Gehäuse für verbesserte Leistung

Aufbauend auf dem Erfolg der CoolSiC-Bauteile der ersten Generation schöpft der neue 400-V-SiC-MOSFET die Vorteile der kontinuierlichen technologischen Weiterentwicklung aus, um eine noch bessere Leistung zu erzielen. Indem der Zellenabstand verkleinert und die Kanaleigenschaften verfeinert wurden, konnte die Leistungsfähigkeit der Bauteile deutlich verbessert werden. Zusätzlich ermöglicht eine verbesserte Kontrolle über die Eigenschaften des Driftbereichs eine präzisere Steuerung des Bauteilverhaltens. Durch Optimierungen des Chipdesigns, zum Beispiel des Sperrschichtabschlusses, konnte der Verlust im aktiven Bereich minimiert werden. Als Resultat dieser Bemühungen präsentiert sich ein 400-V-SiC-MOSFET der nächsten Generation, der einen neuen Standard für Leistung, Zuverlässigkeit und Effizienz setzt und die Entwicklung innovativer und nachhaltiger leistungselektronischer Systeme ermöglicht.

Durch die Kombination des CoolSiC 400 V mit einem niederinduktiven Gehäuse wie TOLL können optimierte PCB-Layouts erstellt werden, die die hervorragende Schaltleistung des Bauteils voll ausschöpfen. Durch die hohe COSS-Linearität und die kommutierungsrobuste Body-Diode mit niedrigem Qfr werden VDS-Überschwinger und Ringing minimiert. Auf diese Weise werden stabile Schaltvorgänge erreicht, die praktisch unabhängig von Betriebstemperatur und Laststrom sind. Erstklassige Schalt-FoMs führen zu hohen Schaltgeschwindigkeiten und damit zu minimalen Schalt- und Totzeitverlusten, was wiederum zu einer höheren Effizienz und Leistungsdichte bei guter EMI-Leistung führt.

Performance in Totem-Pole-PFC

Die brückenlose 2-Level(2L)-Totem-Pole-PFC ermöglicht modernste Designs mit hohem Wirkungsgrad und hoher Leistungsdichte. Sie eliminiert diodenbedingte Verluste und bietet eine hohe Leistungsfähigkeit mit Wirkungsgraden von bis zu 99 Prozent. Diese vielseitige Topologie kann in verschiedenen Regelungsmodi betrieben werden, einschließlich Continuous Conduction Mode (CCM), Discontinuous Conduction Mode (DCM), Critical Current Mode (CrCM) und Triangular Current Mode (TCM). Außerdem ist die Topologie von Haus aus für einen bidirektionalen Leistungsfluss geeignet.

Um den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte in Systemen mit Eingangsspannungen von 180 bis 350 V AC weiter zu verbessern, sind jedoch Multi-Level-Topologien erforderlich. Vielversprechend für eine weitere Steigerung der Leistungsdichte ist die 3-Level-CCM-Totem-Pole-Topologie mit Flying Capacitor (3L-FC) wie in Bild 1 dargestellt.

Durch die Reihenschaltung von zwei Bauteilen im Hochfrequenzpfad (HF-Leg) wird bei gleicher Ausgangsgleichspannung die erforderliche Sperrspannung für jedes Bauteil halbiert, was zu deutlich geringeren Schaltverlusten führt. Zudem wird der Spannungshub über der Induktivität ebenfalls halbiert. In Kombination mit den Vorteilen der »Serien-Phasenschiebung«, die für die Flying-Capacitor-Topologie typisch ist, verdoppelt sich die effektive Schaltfrequenz im Vergleich zur Schaltfrequenz des Bauteils. Durch die höhere effektive Schaltfrequenz in Verbindung mit einem geringeren Spannungshub über der Induktivität wird eine beträchtliche Reduzierung (1/4) der Induktivität bei gleicher Stromwelligkeit ermöglicht. Bei Umrichtern mit hoher Nennleistung ≥ 3 kW ermöglicht die CCM-Betriebsart in der 3L-Flying-Capacitor-Topologie geringere Schaltverluste, geringere Leitverluste in den Induktivitäten sowie eine einfachere Steuerung und EMV-Filterkonstruktion aufgrund der festen Schaltfrequenz. Eine Implementierung mit mehreren Phasen erlaubt es, noch höhere Leistungsdichten zu erreichen.

Zu den Herausforderungen beim Design der 3L-FC-Topologie gehören das Einschalten, das Vorladen und Symmetrieren der Flying-Capacitors-Spannung unter verschiedenen Betriebsbedingungen sowie die Implementierung einer robusten Gate-Ansteuerung für die MOSFETs. Diese Anforderungen werden in einem neuen 3,3-kW-3L-Flying-Capacitor-PFC-Referenzdesign von Infineon adressiert. Darüber hinaus wurde die Topologie umfassend in der Literatur untersucht, da sie erhebliche Vorteile bietet. Infineon sieht das System auch als kostengünstige Hochleistungsalternative zur traditionellen 2-Level-CCM-Totem-Pole-Topologie für höchste Effizienz und Leistungsdichte in der AC/DC-PFC-Stufe.

Für die 3L-FC-Topologie wurde ein Technologiedemonstrator mit einer Leistung von bis zu 5,6 kW entworfen (Bild 3). Auf der Vorderseite sind zwei phasenversetzte 3L-FC-Booststufen zu sehen. Im leeren Bereich im hinteren Teil bietet sich Platz für einen LLC-DC/DC-Wandler zur Abwärtswandlung auf 48 V. Da jede einzelne 3L-Booststufe auf Bauteilebene mit 80 kHz schaltet, beträgt die effektive Schaltfrequenz pro Phase 160 kHz. Um die effektive Schaltfrequenz zum EMV-Filter weiter zu erhöhen, werden die zwei Phasen versetzt betrieben, sodass die effektive Frequenz 320 kHz beträgt. Die Induktivität beträgt jeweils 50 µH, und um der höheren Frequenz Rechnung zu tragen, wird ein Ferritkern (RM12LP) mit Litzendraht verwendet. Zum Einsatz kommen 400-V-SiC-MOSFETs vom Typ IMT40R045M2H mit einem RDS(on) von 45 mΩ. Je nach Designziel lassen sich die Schaltfrequenz und die Größe der Induktivität weiter anpassen. Dadurch ist ein höherer Spitzenwirkungsgrad oder eine höhere Leistungsdichte erzielbar, beispielsweise durch Verwendung niederohmigerer MOSFETs und Betrieb bei 32,5 beziehungsweise 65 kHz pro Schalter (IMT40R015M2H mit 15 mΩ) oder durch den Betrieb des gesamten Systems weit über 400 kHz (>100 kHz pro Bauteil).

In den hier vorgestellten Ergebnissen wird nur eine der beiden Boost-Stufen verwendet, um einen Vergleich mit der üblichen 2L-Totem-Pole-PFC (650 V-SiC-MOSFET), klassischen und Dual-Boost-PFC (jeweils 650 CoolMOS) zu ermöglichen. Für den in Bild 4 dargestellten Effizienzvergleich verwendet die 3L-FC-TP-PFC CoolSiC-MOSFETs 400 V G2. Die 2L-TP-PFC verwendet CoolSiC MOSFETs 650 V G2, während die Dual-Boost-PFC CoolMOS P7 und die klassische Boost-PFC CoolMOS-CFD7A-Bauteile verwendet. Bei einer Eingangsspannung von 230 V übertrifft die 3L-FC-Toplogie den Wirkungsgrad der 2L-TP-PFC und nutzt dabei fast die 2,5-fache Schaltfrequenz, was eine höhere Leistungsdichte ermöglicht. Wie ein Blick auf den Wirkungsgrad bei 2,5 kW zeigt, ist der Unterschied beträchtlich: 99,15 Prozent gegenüber 98,9 Prozent. Dies führt zu über 25 Prozent weniger Verlusten bei der Leistungsumwandlung. Für den Anwender bedeutet das einen deutlich geringeren Kühlaufwand und macht die Topologie attraktiv für Rechenzentren und andere Anwendungen, bei denen Energieeffizienz eine wichtige Rolle spielt. Darüber hinaus verbessert sich der Spitzenwirkungsgrad von 99,19 Prozent bei der 2L-TP-PFC auf 99,35 Prozent bei der 3L-FC-Topolgie.

Durch die Reihenschaltung von zwei 400-V-Bauteilen, die zu einer theoretischen Sperrspannung von 800 V führt, lassen sich auch höhere Spannungen problemlos bewältigen. Insbesondere in Anbetracht des erhöhten Leistungsbedarfs von KI in Rechenzentren werden Spannungen von 277 V AC oder sogar bis zu 350 V AC in Betracht gezogen. Bild 4 zeigt, dass sich eine Erhöhung der AC-Eingangsspannung auch positiv auf den Wirkungsgrad auswirkt. Im Falle von 265 V AC steigt der Spitzenwirkungsgrad weiter auf einen Wert von fast 99,5 Prozent und einen Volllastwirkungsgrad von 99,35 Prozent.

Fazit und Ausblick

Infineons neue CoolSiC MOSFETs 400 V G2 bieten niedrigere Durchlasswiderstände und bessere FOMs als bisherige Komponenten und profitieren von einer flachen Temperaturabhängigkeit des Durchlasswiderstands. Niedrige Gate-, Gate-Drain-, Ausgangs- und Reverse-Recovery-Ladungen sorgen für eine gut steuerbares Schaltverhalten.

Untersucht wurde die Leistung des Bauteils in einer PFC mit ultrahoher Leistungsdichte, die auf die nächste Generation von KI-Server- und Telekommunikationsnetzteilen abzielt. Dabei zeigten Messungen, dass sich das Bauteil auch bei hohen Schaltgeschwindigkeiten von 100 V/ns und mehr gutmütig verhält. Die Verluste in dem untersuchten PFC-Design sind über die verschiedenen Komponenten hinweg gut ausgeglichen. Es werden Wirkungsgrade bis zu 99,5 Prozent erreicht, bei einer berechneten Leistungsdichte von 140 W/in3. Solche Stromversorgungseinheiten ebnen den Weg für die nächste Generation von KI-Servern und industriellen Schaltnetzteilenfür eine Ausgangsleistung von 5,5 bis 8 kW.

Weitere Anwendungsbereiche, die durch diese neuen 400-V-Bauteile ermöglicht werden, sind Solar- und Motorsteuerungs-Wechselrichter, die eine 3L-ANPC-Umrichter-Topologie verwenden, oder batteriegestützte Ansteuerungen für leichte Elektrofahrzeuge, die von einer höheren Batterie-Eingangsspannung von 288 V (erreicht durch eine serielle statt parallele Schaltung) unter Verwendung einer einfachen B6-Topologie profitieren könnten, MPPT-Buck-Boost-Stufe eines PV-Wechselrichters, Class-D-Audioverstärker und viele andere.