L'efficienza e la robustezza degli alimentatori a commutazione (SMPS) li rendono particolarmente adatti per applicazioni quali stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV), inverter solari e azionamenti di motori industriali. Tuttavia, a causa della necessità di tensione e corrente operativa più elevate, di conduzione e perdita di calore inferiori e di un aspetto più compatto, i progettisti devono adottare la tecnologia MOSFET avanzata al carburo di silicio (SiC). Questa tecnologia deve essere attentamente combinata con tiristori con gate MOS e raddrizzatori a ponte a recupero rapido per creare il miglior sistema di conversione di potenza.
Questo articolo prende come esempio le stazioni di ricarica per veicoli elettrici per delineare i requisiti di SMPS. Successivamente sono stati introdotti i MOSFET SiC di IXYS/Litelfuse, sono state esaminate le loro prestazioni ed è stato dimostrato come le diverse tecnologie dei dispositivi (ciascuna ottimizzata per funzioni circuitali specifiche) sono state combinate per creare un sistema di conversione di potenza più efficiente e compatto.
Panoramica dei moderni SMPS utilizzando come esempio le stazioni di ricarica pubbliche veloci per veicoli elettrici
L'efficienza è una caratteristica distintiva degli SMPS, ma le moderne applicazioni ad alta potenza stanno spingendo questi progetti verso nuovi estremi. Considera i requisiti delle stazioni di ricarica rapida pubbliche in corrente continua (CC), come un sistema a 3 livelli con una potenza fino a 350 kW. Una perdita di efficienza dell’1% equivale a sprecare 3,5 kilowatt di potenza, aumentando notevolmente i costi operativi e i carichi termici.
Il MOSFET SiC ad alte prestazioni è il nucleo per ottenere una maggiore efficienza. Possono eseguire la commutazione ad alta frequenza mantenendo una bassa resistenza, consentendo l'uso di componenti passivi più piccoli e riducendo le perdite di conversione. Sfortunatamente, questi fattori rendono anche i MOSFET SiC suscettibili ai picchi di tensione transitori. Pertanto, una progettazione efficiente spesso richiede schemi di protezione più avanzati.
Inoltre, il MOSFET SiC non è la soluzione ottimale per ogni parte di una stazione di ricarica a 3 livelli. Ad esempio, le stazioni di ricarica pubbliche richiedono un sistema di alimentazione ausiliario per le pompe del liquido di raffreddamento, la comunicazione di rete e altre funzioni del sistema. Anche se il percorso di ricarica principale viene interrotto, questi sistemi devono rimanere operativi. In questo caso, i dispositivi con diodi al silicio (Si) ad alta affidabilità possono rappresentare una scelta migliore.
È necessario comprendere i requisiti di ciascuna parte della stazione di ricarica rapida CC e scegliere con attenzione la tecnologia dell'apparecchiatura adeguata.
Utilizzo di MOSFET SiC a bassa resistenza per ottenere una conversione DC-DC ad alta potenza
La fase di conversione DC-DC della stazione di ricarica rapida a 3 livelli dimostra le sfide affrontate dal moderno design SMPS. A causa dell'elevata tensione di uscita fino a 1 kilovolt (kV), questa fase richiede tradizionalmente l'uso di transistor bipolari con gate isolato in silicio (IGBT) ad alta tensione o MOSFET al carburo di silicio ad alta tensione. Entrambi i metodi comportano perdite di efficienza: l'IGBT presenta elevate perdite di commutazione, mentre alcuni dei primi MOSFET SiC presentano perdite di conduzione relativamente elevate. Ad esempio, la resistenza attiva (RDS (ON)) di alcuni dei primi MOSFET SiC ad alta tensione era di circa 100 m Ω.
La serie di MOSFET SiC Littelfuse IXSJxxN120R1 fornisce una soluzione convincente a questo problema. Questa serie di prodotti ha una tensione di blocco massima di 1200 volt e un RDS (ON) minimo di 18 m Ω. Questa caratteristica di bassa resistenza può ridurre al minimo le perdite di conduzione e ottenere eccellenti prestazioni termiche.
Questi dispositivi sono confezionati in ceramica isolata con una capacità di tensione di isolamento di 2500 V CA (1 minuto). Questo design riduce la resistenza termica al dissipatore di calore e riduce al minimo le interferenze elettromagnetiche (EMI) riducendo al minimo la capacità parassita del dissipatore di calore. Allo stesso tempo, adotta il familiare pacchetto TO-247-3L, che facilita l'integrazione.
IXSJ43N120R1 è un tipico esempio (Figura 1). La corrente di drenaggio continua nominale ID del dispositivo a +25 ° C è 45 A e l'RDS (ON) è 36 m Ω (valore tipico). Ha anche una bassa carica di gate di 79 nC e una capacità di ingresso di 2453 pF, che lo rende adatto per progetti con magneti più piccoli.
Immagine MOSFET SiC Littelfuse IXSJ43N120R1 1200 V
Figura 1: Il MOSFET SiC IXSJ43N120R1 da 1200 V adotta un package TO-247-3L isolato, con una corrente di drain continua nominale ID di 45 A e RDS (ON) di 36 m Ω (valore tipico) a +25 ° C. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)
La serie IXSJxxN120R1 riduce le perdite di conduzione mantenendo la capacità di blocco dell'alta tensione, consentendo ai progettisti di semplificare la topologia del convertitore, ridurre il sovraccarico termico e massimizzare l'efficienza complessiva del sistema.
Ridurre al minimo le perdite di switch nelle prestazioni front-end attive
In altre parti della stazione di ricarica rapida CC, le perdite di commutazione possono essere più importanti rispetto alla resistenza. Il front-end attivo converte l'alimentazione CA in alimentazione CC e modella la forma d'onda della corrente per soddisfare i requisiti di correzione del fattore di potenza (PFC) e distorsione armonica. A causa della dipendenza da frequenze di commutazione più elevate in questa fase per ridurre al minimo le dimensioni di induttori e filtri, le perdite di commutazione svolgono un ruolo importante nell'efficienza complessiva.
La serie di MOSFET SiC LSIC1MO120E di Littelfuse è stata ottimizzata per queste applicazioni ad alta frequenza. Questi dispositivi combinano capacità di blocco di 1200 volt e basse perdite dinamiche, rendendoli particolarmente adatti per convertitori boost PFC nelle stazioni di ricarica rapida CC e altri sistemi collegati alla rete.
Ad esempio, la corrente di drenaggio continua nominale (II) di LSIC1MO120E0080 (Figura 2) a +25 °C è 39 A, R (DSON) è 80 m Ω (valore tipico) e l'energia di commutazione per ciclo è 252 µ J. L'intervallo esteso di temperatura di giunzione va da -55 °C a +175 °C, fornendo un margine di progettazione aggiuntivo per installazioni esterne con condizioni ambientali estese.