Η απόδοση και η στιβαρότητα των τροφοδοτικών λειτουργίας διακόπτη (SMPS) τα καθιστούν ιδιαίτερα κατάλληλα για εφαρμογές όπως σταθμοί φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων (EV), ηλιακοί μετατροπείς και βιομηχανικοί κινητήρες. Ωστόσο, λόγω της ανάγκης για υψηλότερη τάση και ρεύμα λειτουργίας, χαμηλότερη αγωγιμότητα και απώλεια θερμότητας και πιο συμπαγή εμφάνιση, οι σχεδιαστές πρέπει να υιοθετήσουν την προηγμένη τεχνολογία MOSFET καρβιδίου του πυριτίου (SiC). Αυτή η τεχνολογία πρέπει να συνδυαστεί προσεκτικά με θυρίστορ με πύλη MOS και ανορθωτές γεφυρών γρήγορης ανάκτησης για να δημιουργηθεί το καλύτερο σύστημα μετατροπής ισχύος.
Αυτό το άρθρο λαμβάνει ως παράδειγμα τους σταθμούς φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων για να περιγράψει τις απαιτήσεις του SMPS. Στη συνέχεια, παρουσιάστηκαν τα SiC MOSFET της IXYS/Litelfuse, εξετάστηκε η απόδοσή τους και καταδείχθηκε πώς συνδυάστηκαν διαφορετικές τεχνολογίες συσκευών (καθεμία βελτιστοποιημένη για συγκεκριμένες λειτουργίες κυκλώματος) για να δημιουργήσουν ένα πιο αποτελεσματικό και συμπαγές σύστημα μετατροπής ισχύος.
Επισκόπηση του σύγχρονου SMPS που χρησιμοποιεί ως παράδειγμα γρήγορους σταθμούς φόρτισης δημόσιων ηλεκτρικών οχημάτων
Η αποδοτικότητα είναι ένα χαρακτηριστικό χαρακτηριστικό του SMPS, αλλά οι σύγχρονες εφαρμογές υψηλής ισχύος ωθούν αυτά τα σχέδια σε νέα άκρα. Λάβετε υπόψη τις απαιτήσεις των δημόσιων σταθμών γρήγορης φόρτισης συνεχούς ρεύματος (DC), όπως ένα σύστημα 3 επιπέδων με ισχύ έως 350 kW. Μια απώλεια απόδοσης 1% ισοδυναμεί με σπατάλη ισχύος 3,5 κιλοβάτ, αυξάνοντας σημαντικά το λειτουργικό κόστος και τα θερμικά φορτία.
Το SiC MOSFET υψηλής απόδοσης είναι ο πυρήνας για την επίτευξη υψηλότερης απόδοσης. Μπορούν να πραγματοποιούν εναλλαγή υψηλής συχνότητας, διατηρώντας παράλληλα χαμηλή αντίσταση, επιτρέποντας τη χρήση μικρότερων παθητικών εξαρτημάτων και μειώνοντας τις απώλειες μετατροπής. Δυστυχώς, αυτοί οι παράγοντες καθιστούν επίσης τα SiC MOSFET ευαίσθητα σε παροδικές υπερτάσεις τάσης. Επομένως, ο αποτελεσματικός σχεδιασμός απαιτεί συχνά πιο προηγμένα συστήματα προστασίας.
Επιπλέον, το SiC MOSFET δεν είναι η βέλτιστη λύση για κάθε τμήμα ενός σταθμού φόρτισης 3 επιπέδων. Για παράδειγμα, οι δημόσιοι σταθμοί φόρτισης απαιτούν ένα βοηθητικό σύστημα ισχύος για αντλίες ψυκτικού υγρού, επικοινωνία δικτύου και άλλες λειτουργίες του συστήματος. Ακόμα κι αν διακοπεί η κύρια διαδρομή φόρτισης, αυτά τα συστήματα πρέπει να παραμείνουν λειτουργικά. Σε αυτήν την περίπτωση, οι συσκευές διόδου πυριτίου (Si) υψηλής αξιοπιστίας μπορεί να είναι καλύτερη επιλογή.
Είναι απαραίτητο να κατανοήσετε τις απαιτήσεις κάθε τμήματος του σταθμού γρήγορης φόρτισης DC και να επιλέξετε προσεκτικά την κατάλληλη τεχνολογία εξοπλισμού.
Χρησιμοποιώντας SiC MOSFET χαμηλής αντίστασης για την επίτευξη μετατροπής DC-DC υψηλής ισχύος
Το στάδιο μετατροπής DC-DC του σταθμού γρήγορης φόρτισης 3 επιπέδων καταδεικνύει τις προκλήσεις που αντιμετωπίζει ο σύγχρονος σχεδιασμός SMPS. Λόγω της υψηλής τάσης εξόδου έως και 1 kilovolt (kV), αυτό το στάδιο απαιτεί παραδοσιακά τη χρήση διπολικών τρανζίστορ πύλης υψηλής τάσης με μόνωση πυριτίου (IGBT) ή MOSFET από καρβίδιο του πυριτίου υψηλής τάσης. Και οι δύο μέθοδοι οδηγούν σε απώλειες απόδοσης: το IGBT έχει υψηλές απώλειες μεταγωγής, ενώ ορισμένα πρώιμα MOSFET SiC έχουν σχετικά υψηλές απώλειες αγωγιμότητας. Για παράδειγμα, η αντίσταση ενεργοποίησης (RDS (ON)) ορισμένων πρώιμων MOSFET SiC υψηλής τάσης ήταν περίπου 100 m Ω.
Η σειρά Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET παρέχει μια πειστική λύση σε αυτό το πρόβλημα. Αυτή η σειρά προϊόντων έχει τάση μπλοκαρίσματος έως και 1200 volt και RDS (ON) έως 18 m Ω. Αυτό το χαρακτηριστικό χαμηλής αντίστασης μπορεί να ελαχιστοποιήσει τις απώλειες αγωγιμότητας και να επιτύχει εξαιρετική θερμική απόδοση.
Αυτές οι συσκευές είναι συσκευασμένες σε απομονωμένο κεραμικό με ικανότητα απομόνωσης τάσης 2500 VAC (1 λεπτό). Αυτός ο σχεδιασμός μειώνει τη θερμική αντίσταση στην ψύκτρα και ελαχιστοποιεί τις ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές (EMI) ελαχιστοποιώντας την αδέσποτη χωρητικότητα της ψύκτρας. Ταυτόχρονα, υιοθετεί το γνωστό πακέτο TO-247-3L, που διευκολύνει την ενσωμάτωση.
Το IXSJ43N120R1 είναι ένα τυπικό παράδειγμα (Εικόνα 1). Το ονομαστικό αναγνωριστικό ρεύματος συνεχούς αποστράγγισης της συσκευής στους +25 ° C είναι 45 A και το RDS (ON) είναι 36 m Ω (τυπική τιμή). Έχει επίσης χαμηλή φόρτιση πύλης 79 nC και χωρητικότητα εισόδου 2453 pF, καθιστώντας το κατάλληλο για σχέδια με μικρότερους μαγνήτες.
Εικόνα Littelfuse IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET
Εικόνα 1: Το IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET υιοθετεί μια απομονωμένη συσκευασία TO-247-3L, με ονομαστικό αναγνωριστικό συνεχούς ρεύματος αποστράγγισης 45 A και RDS (ON) 36 m Ω (τυπική τιμή) στους +25 ° C. (Πηγή εικόνας: Littel)
Η σειρά IXSJxxN120R1 μειώνει τις απώλειες αγωγιμότητας διατηρώντας παράλληλα την ικανότητα αποκλεισμού υψηλής τάσης, επιτρέποντας στους σχεδιαστές να απλοποιήσουν την τοπολογία του μετατροπέα, να μειώσουν τη θερμική επιβάρυνση και να μεγιστοποιήσουν τη συνολική απόδοση του συστήματος.
Ελαχιστοποιήστε τις απώλειες διακόπτη στην ενεργή απόδοση στο μπροστινό μέρος
Σε άλλα μέρη του σταθμού γρήγορης φόρτισης DC, οι απώλειες διακόπτη μπορεί να είναι πιο σημαντικές από την αντίσταση. Το ενεργό μπροστινό μέρος μετατρέπει την ισχύ εναλλασσόμενου ρεύματος σε ισχύ συνεχούς ρεύματος και διαμορφώνει την τρέχουσα κυματομορφή ώστε να ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της διόρθωσης συντελεστή ισχύος (PFC) και της αρμονικής παραμόρφωσης. Λόγω της εξάρτησης από υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής σε αυτό το στάδιο για την ελαχιστοποίηση του μεγέθους των πηνίων και των φίλτρων, οι απώλειες μεταγωγής παίζουν σημαντικό ρόλο στη συνολική απόδοση.
Η σειρά LSIC1MO120E SiC MOSFET της Littelfuse έχει βελτιστοποιηθεί για αυτές τις εφαρμογές υψηλής συχνότητας. Αυτές οι συσκευές συνδυάζουν δυνατότητα μπλοκαρίσματος 1200 volt και χαμηλές δυναμικές απώλειες, καθιστώντας τις εξαιρετικά κατάλληλες για μετατροπείς ενίσχυσης PFC σε σταθμούς ταχείας φόρτισης DC και άλλα συνδεδεμένα στο δίκτυο συστήματα.
Για παράδειγμα, το ονομαστικό ρεύμα συνεχούς αποστράγγισης (II) του LSIC1MO120E0080 (Εικόνα 2) στους +25 ° C είναι 39 A, το R (DSON) είναι 80 m Ω (τυπική τιμή) και η ενέργεια μεταγωγής ανά κύκλο είναι 252 μJ. Το εκτεταμένο εύρος θερμοκρασίας διακλάδωσης είναι από -55 °C ή πρόσθετο περιθώριο σχεδιασμού για εγκατάσταση, μεγάλο έως +1 προϋποθέσεις.