La eficiencia y robustez de las fuentes de alimentación de modo conmutado (SMPS) las hacen particularmente adecuadas para aplicaciones como estaciones de carga de vehículos eléctricos (EV), inversores solares y motores industriales. Sin embargo, debido a la necesidad de mayor voltaje y corriente de funcionamiento, menor conducción y pérdida de calor, y una apariencia más compacta, los diseñadores deben adoptar tecnología MOSFET avanzada de carburo de silicio (SiC). Esta tecnología debe combinarse cuidadosamente con tiristores controlados por MOS y puentes rectificadores de recuperación rápida para crear el mejor sistema de conversión de energía.
Este artículo toma como ejemplo las estaciones de carga de vehículos eléctricos para describir los requisitos de SMPS. Luego, se presentaron los MOSFET de SiC de IXYS/Litelfuse, se examinó su rendimiento y se demostró cómo se combinaron diferentes tecnologías de dispositivos (cada una optimizada para funciones de circuito específicas) para crear un sistema de conversión de energía más eficiente y compacto.
Descripción general de los SMPS modernos utilizando como ejemplo las estaciones públicas de carga rápida de vehículos eléctricos
La eficiencia es una característica distintiva de SMPS, pero las aplicaciones modernas de alta potencia están llevando estos diseños a nuevos extremos. Considere los requisitos de las estaciones públicas de carga rápida de corriente continua (CC), como un sistema de 3 niveles con una potencia de hasta 350 kW. Una pérdida de eficiencia del 1% equivale a desperdiciar 3,5 kilovatios de energía, lo que aumenta considerablemente los costos operativos y las cargas térmicas.
El MOSFET de SiC de alto rendimiento es el núcleo para lograr una mayor eficiencia. Pueden realizar conmutación de alta frecuencia manteniendo una resistencia baja, lo que permite el uso de componentes pasivos más pequeños y reduce las pérdidas de conversión. Desafortunadamente, estos factores también hacen que los MOSFET de SiC sean susceptibles a sobretensiones transitorias. Por lo tanto, un diseño eficiente a menudo requiere esquemas de protección más avanzados.
Además, SiC MOSFET no es la solución óptima para cada parte de una estación de carga de 3 niveles. Por ejemplo, las estaciones de carga públicas requieren un sistema de energía auxiliar para bombas de refrigerante, comunicación de red y otras funciones del sistema. Incluso si se interrumpe la ruta de carga principal, estos sistemas deben permanecer operativos. En este caso, los dispositivos de diodos de silicio (Si) de alta confiabilidad pueden ser una mejor opción.
Es necesario comprender los requisitos de cada parte de la estación de carga rápida de CC y elegir cuidadosamente la tecnología de equipo adecuada.
Uso de MOSFET de SiC de baja resistencia para lograr una conversión CC-CC de alta potencia
La etapa de conversión CC-CC de la estación de carga rápida de 3 niveles demuestra los desafíos que enfrenta el diseño SMPS moderno. Debido al alto voltaje de salida de hasta 1 kilovoltio (kV), esta etapa tradicionalmente requiere el uso de transistores bipolares de puerta aislada de silicio (IGBT) de alto voltaje o MOSFET de carburo de silicio de alto voltaje. Ambos métodos dan como resultado pérdidas de eficiencia: los IGBT tienen altas pérdidas de conmutación, mientras que algunos de los primeros MOSFET de SiC tienen pérdidas de conducción relativamente altas. Por ejemplo, la resistencia de encendido (RDS (ON)) de algunos de los primeros MOSFET de SiC de alto voltaje era de aproximadamente 100 m Ω.
La serie Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET proporciona una solución convincente a este problema. Esta serie de productos tiene un voltaje de bloqueo de hasta 1200 voltios y un RDS (ON) de tan solo 18 m Ω. Esta característica de baja resistencia puede minimizar las pérdidas de conducción y lograr un excelente rendimiento térmico.
Estos dispositivos están empaquetados en cerámica aislada con una capacidad de voltaje de aislamiento de 2500 VCA (1 minuto). Este diseño reduce la resistencia térmica al disipador de calor y minimiza la interferencia electromagnética (EMI) al minimizar la capacitancia parásita del disipador de calor. Al mismo tiempo, adopta el conocido paquete TO-247-3L, que facilita la integración.
IXSJ43N120R1 es un ejemplo típico (Figura 1). La corriente nominal de drenaje continuo ID del dispositivo a +25 ° C es 45 A y el RDS (ON) es 36 m Ω (valor típico). También tiene una carga de puerta baja de 79 nC y una capacitancia de entrada de 2453 pF, lo que lo hace adecuado para diseños con imanes más pequeños.
Littelfuse IXSJ43N120R1 MOSFET de SiC de 1200 V Imagen
Figura 1: El MOSFET de SiC de 1200 V IXSJ43N120R1 adopta un encapsulado TO-247-3L aislado, con una ID de corriente nominal de drenaje continuo de 45 A y RDS (ON) de 36 m Ω (valor típico) a +25 °C. (Fuente de la imagen: Littelfuse)
La serie IXSJxxN120R1 reduce las pérdidas de conducción al tiempo que mantiene la capacidad de bloqueo de alto voltaje, lo que permite a los diseñadores simplificar la topología del convertidor, reducir la sobrecarga térmica y maximizar la eficiencia general del sistema.
Minimice las pérdidas de conmutación en el rendimiento del front-end activo
En otras partes de la estación de carga rápida de CC, las pérdidas por interruptor pueden ser más importantes que por la resistencia. El front-end activo convierte la energía de CA en energía de CC y da forma a la forma de onda actual para cumplir con los requisitos de corrección del factor de potencia (PFC) y distorsión armónica. Debido a la dependencia de frecuencias de conmutación más altas en esta etapa para minimizar el tamaño de inductores y filtros, las pérdidas de conmutación juegan un papel importante en la eficiencia general.
La serie de MOSFET de SiC LSIC1MO120E de Littelfuse se ha optimizado para estas aplicaciones de alta frecuencia. Estos dispositivos combinan capacidad de bloqueo de 1200 voltios y bajas pérdidas dinámicas, lo que los hace muy adecuados para convertidores elevadores PFC en estaciones de carga rápida de CC y otros sistemas conectados a la red.
Por ejemplo, la corriente nominal de drenaje continuo (II) de LSIC1MO120E0080 (Figura 2) a +25 °C es 39 A, R (DSON) es 80 m Ω (valor típico) y la energía de conmutación por ciclo es 252 µ J. El rango de temperatura de unión extendido es de -55 °C a +175 °C, lo que proporciona un margen de diseño adicional para instalaciones exteriores con grandes condiciones ambientales.