L'efficacité et la robustesse des alimentations à découpage (SMPS) les rendent particulièrement adaptées aux applications telles que les stations de recharge de véhicules électriques (VE), les onduleurs solaires et les entraînements de moteurs industriels. Cependant, en raison de la nécessité d'une tension et d'un courant de fonctionnement plus élevés, d'une conduction et d'une perte de chaleur plus faibles et d'une apparence plus compacte, les concepteurs doivent adopter la technologie MOSFET avancée au carbure de silicium (SiC). Cette technologie doit être soigneusement combinée avec des thyristors à commande MOS et des ponts redresseurs à récupération rapide pour créer le meilleur système de conversion de puissance.
Cet article prend comme exemple les bornes de recharge pour véhicules électriques pour décrire les exigences du SMPS. Ensuite, les MOSFET SiC d'IXYS/Litelfuse ont été présentés, leurs performances ont été examinées et la manière dont différentes technologies de dispositifs (chacune optimisée pour des fonctions de circuit spécifiques) ont été combinées pour créer un système de conversion de puissance plus efficace et plus compact a été démontrée.
Aperçu des SMPS modernes utilisant comme exemple les bornes de recharge publiques rapides pour véhicules électriques
L'efficacité est une caractéristique caractéristique du SMPS, mais les applications modernes à haute puissance poussent ces conceptions vers de nouveaux extrêmes. Tenez compte des exigences des bornes de recharge rapides publiques à courant continu (DC), comme par exemple un système à 3 niveaux d'une puissance allant jusqu'à 350 kW. Une perte d’efficacité de 1 % équivaut à un gaspillage de 3,5 kilowatts d’énergie, ce qui augmente considérablement les coûts d’exploitation et les charges thermiques.
Le MOSFET SiC haute performance est la base pour obtenir une efficacité plus élevée. Ils peuvent effectuer une commutation haute fréquence tout en maintenant une faible résistance, ce qui permet l'utilisation de composants passifs plus petits et réduit les pertes de conversion. Malheureusement, ces facteurs rendent également les MOSFET SiC sensibles aux surtensions transitoires. Par conséquent, une conception efficace nécessite souvent des systèmes de protection plus avancés.
De plus, le SiC MOSFET n'est pas la solution optimale pour chaque partie d'une borne de recharge à 3 niveaux. Par exemple, les bornes de recharge publiques nécessitent un système d'alimentation auxiliaire pour les pompes de liquide de refroidissement, la communication réseau et d'autres fonctions du système. Même si le chemin de recharge principal est interrompu, ces systèmes doivent rester opérationnels. Dans ce cas, les dispositifs à diodes au silicium (Si) à haute fiabilité peuvent constituer un meilleur choix.
Il est nécessaire de comprendre les exigences de chaque partie de la borne de recharge rapide DC et de choisir avec soin la technologie d’équipement appropriée.
Utilisation d'un MOSFET SiC à faible résistance pour obtenir une conversion DC-DC haute puissance
L'étape de conversion DC-DC de la station de recharge rapide à 3 niveaux démontre les défis rencontrés par la conception SMPS moderne. En raison de la tension de sortie élevée pouvant atteindre 1 kilovolt (kV), cet étage nécessite traditionnellement l'utilisation de transistors bipolaires à grille isolée au silicium (IGBT) haute tension ou de MOSFET en carbure de silicium haute tension. Les deux méthodes entraînent des pertes de rendement : les IGBT présentent des pertes de commutation élevées, tandis que certains premiers MOSFET SiC présentent des pertes de conduction relativement élevées. Par exemple, la résistance à l'état passant (RDS (ON)) de certains premiers MOSFET SiC haute tension était d'environ 100 m Ω.
La série de MOSFET SiC Littelfuse IXSJxxN120R1 offre une solution convaincante à ce problème. Cette série de produits a une tension de blocage pouvant atteindre 1 200 volts et un RDS (ON) aussi faible que 18 mΩ. Cette caractéristique de faible résistance peut minimiser les pertes de conduction et obtenir d'excellentes performances thermiques.
Ces dispositifs sont emballés dans une céramique isolée avec une capacité de tension d'isolation de 2 500 VCA (1 minute). Cette conception réduit la résistance thermique du dissipateur thermique et minimise les interférences électromagnétiques (EMI) en minimisant la capacité parasite du dissipateur thermique. Dans le même temps, il adopte le package familier TO-247-3L, qui facilite l'intégration.
IXSJ43N120R1 est un exemple typique (Figure 1). Le courant de drain continu nominal ID de l'appareil à +25 ° C est de 45 A et le RDS (ON) est de 36 m Ω (valeur typique). Il présente également une faible charge de grille de 79 nC et une capacité d'entrée de 2 453 pF, ce qui le rend adapté aux conceptions comportant des aimants plus petits.
Image MOSFET SiC Littelfuse IXSJ43N120R1 1 200 V
Figure 1 : Le MOSFET SiC 1 200 V IXSJ43N120R1 adopte un boîtier TO-247-3L isolé, avec un courant de drain continu nominal ID de 45 A et un RDS (ON) de 36 m Ω (valeur typique) à +25 °C. (Source de l'image : Littelfuse)
La série IXSJxxN120R1 réduit les pertes de conduction tout en conservant une capacité de blocage haute tension, permettant aux concepteurs de simplifier la topologie du convertisseur, de réduire la surcharge thermique et de maximiser l'efficacité globale du système.
Minimiser les pertes de commutation dans les performances frontales actives
Dans d’autres parties de la borne de recharge rapide DC, les pertes de commutation peuvent être plus importantes que sur la résistance. Le frontal actif convertit le courant alternatif en courant continu et façonne la forme d'onde du courant pour répondre aux exigences de correction du facteur de puissance (PFC) et de distorsion harmonique. En raison du recours à des fréquences de commutation plus élevées à cette étape pour minimiser la taille des inductances et des filtres, les pertes de commutation jouent un rôle important dans l'efficacité globale.
La série de MOSFET SiC LSIC1MO120E de Littelfuse a été optimisée pour ces applications haute fréquence. Ces dispositifs combinent une capacité de blocage de 1 200 volts et de faibles pertes dynamiques, ce qui les rend parfaitement adaptés aux convertisseurs élévateurs PFC dans les stations de charge rapide CC et autres systèmes connectés au réseau.
Par exemple, le courant de drain continu nominal (II) du LSIC1MO120E0080 (Figure 2) à +25 °C est de 39 A, R (DSON) est de 80 m Ω (valeur typique) et l'énergie de commutation par cycle est de 252 µJ. La plage de température de jonction étendue va de -55 °C à +175 °C, offrant une marge de conception supplémentaire pour les installations extérieures avec de grandes conditions environnementales.