A eficiência e a robustez das fontes de alimentação comutadas (SMPS) as tornam particularmente adequadas para aplicações como estações de carregamento de veículos elétricos (EV), inversores solares e acionamentos de motores industriais. No entanto, devido à necessidade de maior tensão e corrente operacional, menor condução e perda de calor e uma aparência mais compacta, os projetistas devem adotar a tecnologia MOSFET avançada de carboneto de silício (SiC). Esta tecnologia deve ser cuidadosamente combinada com tiristores controlados por MOS e retificadores de ponte de recuperação rápida para criar o melhor sistema de conversão de energia.
Este artigo toma como exemplo as estações de carregamento de veículos elétricos para descrever os requisitos do SMPS. Em seguida, os MOSFETs SiC da IXYS/Litelfuse foram apresentados, seu desempenho foi examinado e foi demonstrada como diferentes tecnologias de dispositivos (cada uma otimizada para funções de circuito específicas) foram combinadas para criar um sistema de conversão de energia mais eficiente e compacto.
Visão geral dos SMPS modernos usando estações de carregamento rápido de veículos elétricos públicos como exemplo
A eficiência é uma característica marcante do SMPS, mas as aplicações modernas de alta potência estão levando esses projetos a novos extremos. Considere os requisitos das estações públicas de carregamento rápido de corrente contínua (CC), como um sistema de 3 níveis com potência de até 350 kW. Uma perda de eficiência de 1% equivale a desperdiçar 3,5 quilowatts de energia, aumentando enormemente os custos operacionais e as cargas térmicas.
SiC MOSFET de alto desempenho é o núcleo para alcançar maior eficiência. Eles podem realizar comutação de alta frequência enquanto mantêm baixa resistência, permitindo o uso de componentes passivos menores e reduzindo as perdas de conversão. Infelizmente, esses fatores também tornam os MOSFETs de SiC suscetíveis a surtos de tensão transitórios. Portanto, um projeto eficiente muitas vezes requer esquemas de proteção mais avançados.
Além disso, o SiC MOSFET não é a solução ideal para todas as partes de uma estação de carregamento de 3 níveis. Por exemplo, estações de carregamento públicas requerem um sistema de energia auxiliar para bombas de refrigerante, comunicação de rede e outras funções do sistema. Mesmo que o caminho principal de carregamento seja interrompido, estes sistemas devem permanecer operacionais. Neste caso, dispositivos de diodo de silício (Si) de alta confiabilidade podem ser uma escolha melhor.
É necessário compreender os requisitos de cada parte da estação de carregamento rápido DC e escolher cuidadosamente a tecnologia adequada do equipamento.
Usando SiC MOSFET de baixa resistência para obter conversão DC-DC de alta potência
O estágio de conversão DC-DC da estação de carregamento rápido de 3 níveis demonstra os desafios enfrentados pelo design moderno de SMPS. Devido à alta tensão de saída de até 1 quilovolt (kV), este estágio tradicionalmente requer o uso de transistores bipolares de porta isolada de silício de alta tensão (IGBTs) ou MOSFETs de carboneto de silício de alta tensão. Ambos os métodos resultam em perdas de eficiência: o IGBT apresenta altas perdas de comutação, enquanto alguns dos primeiros MOSFETs de SiC apresentam perdas de condução relativamente altas. Por exemplo, a resistência ligada (RDS (ON)) de alguns dos primeiros MOSFETs de SiC de alta tensão era de cerca de 100 m Ω.
A série Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET fornece uma solução convincente para este problema. Esta série de produtos possui uma tensão de bloqueio de até 1200 volts e um RDS (ON) de até 18 m Ω. Esta característica de baixa resistência pode minimizar as perdas de condução e alcançar um excelente desempenho térmico.
Esses dispositivos são embalados em cerâmica isolada com capacidade de tensão de isolamento de 2.500 VCA (1 minuto). Este design reduz a resistência térmica do dissipador de calor e minimiza a interferência eletromagnética (EMI), minimizando a capacitância parasita do dissipador de calor. Ao mesmo tempo, adota o familiar pacote TO-247-3L, que facilita a integração.
IXSJ43N120R1 é um exemplo típico (Figura 1). A corrente nominal de drenagem contínua ID do dispositivo a +25 ° C é 45 A e o RDS (ON) é 36 m Ω (valor típico). Ele também possui uma carga de porta baixa de 79 nC e uma capacitância de entrada de 2.453 pF, tornando-o adequado para projetos com ímãs menores.
Littelfuse IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET Imagem
Figura 1: O MOSFET SiC IXSJ43N120R1 1200 V adota um pacote TO-247-3L isolado, com uma corrente nominal de drenagem contínua ID de 45 A e RDS (ON) de 36 m Ω (valor típico) a +25 ° C. (Fonte da imagem: Littelfuse)
A série IXSJxxN120R1 reduz as perdas de condução enquanto mantém a capacidade de bloqueio de alta tensão, permitindo que os projetistas simplifiquem a topologia do conversor, reduzam a sobrecarga térmica e maximizem a eficiência geral do sistema.
Minimize as perdas de switch no desempenho do front-end ativo
Em outras partes da estação de carregamento rápido DC, as perdas de comutação podem ser mais importantes do que a resistência. O front-end ativo converte energia CA em energia CC e molda a forma de onda da corrente para atender aos requisitos de correção do fator de potência (PFC) e distorção harmônica. Devido à dependência de frequências de comutação mais altas neste estágio para minimizar o tamanho dos indutores e filtros, as perdas de comutação desempenham um papel importante na eficiência geral.
A série LSIC1MO120E SiC MOSFET da Littelfuse foi otimizada para essas aplicações de alta frequência. Esses dispositivos combinam capacidade de bloqueio de 1.200 volts e baixas perdas dinâmicas, tornando-os altamente adequados para conversores boost PFC em estações de carregamento rápido CC e outros sistemas conectados à rede.
Por exemplo, a corrente de drenagem contínua nominal (II) de LSIC1MO120E0080 (Figura 2) a +25 ° C é 39 A, R (DSON) é 80 m Ω (valor típico) e a energia de comutação por ciclo é 252 µ J. A faixa estendida de temperatura de junção é de -55 ° C a +175 ° C, fornecendo margem de projeto adicional para instalações externas com grandes condições ambientais.