Ottimizzare l'efficienza degli SMPS con un approccio multi-tecnologico

L'efficienza e la robustezza degli alimentatori a commutazione (SMPS) li rendono adatti ad applicazioni come le infrastrutture di ricarica dei veicoli elettrici (EV), gli inverter solari e gli azionamenti di motori industriali. Tuttavia, la richiesta di tensioni e correnti di servizio più elevate, di perdite termiche e di conduzione ridotte e di fattori di forma più compatti impone ai progettisti di incorporare la tecnologia avanzata dei MOSFET al carburo di silicio (SiC). Questa tecnologia deve essere combinata attentamente con i tiristori con gate MOS e i raddrizzatori a ponte a recupero rapido per ottenere un sistema di conversione di potenza ottimale.

Questo articolo fornisce una panoramica dei requisiti degli SMPS utilizzando come esempio un caricatore EV. Presenta quindi i MOSFET SiC di IXYS/Littelfuse, ne esamina le capacità e dimostra come la combinazione di diverse tecnologie per dispositivi, ciascuna ottimizzata per specifiche funzioni circuitali, crei sistemi di conversione di potenza più efficienti e compatti.

Panoramica dei moderni SMPS con l'esempio di un'infrastruttura pubblica di ricarica rapida EV

L'efficienza è una caratteristica tipica degli SMPS, ma le moderne applicazioni ad alta potenza stanno spingendo questi progetti verso nuovi limiti. Si considerino i requisiti di una stazione pubblica di ricarica rapida in corrente continua (c.c.), come un sistema di livello 3 che eroga fino a 350 kW. Una perdita di efficienza anche solo dell'1% si traduce in 3,5 kW di potenza sprecata, con un aumento significativo dei costi di esercizio e del carico termico.

I MOSFET SiC ad alte prestazioni sono essenziali per una maggiore efficienza. La loro capacità di commutare ad alta frequenza mantenendo una bassa resistenza di conduzione consente di ridurre le perdite passive e di conversione. Purtroppo, questi stessi fattori rendono i MOSFET SiC vulnerabili alle sovracorrenti transitorie e pertanto i progetti ad alta efficienza richiedono in genere schemi di protezione più avanzati.

I MOSFET SiC inoltre non sono la soluzione migliore per ogni componente di un caricatore di livello 3. Ad esempio, i caricatori pubblici richiedono un sistema di alimentazione ausiliaria per le pompe del refrigerante, le comunicazioni di rete e altre funzioni del sistema. Questi sistemi devono rimanere in funzione anche qualora si interrompa il percorso di ricarica primario. In questo caso, un dispositivo ad alta affidabilità basato sui diodi al silicio (Si) potrebbe essere una scelta migliore.

È essenziale capire i requisiti di ciascuna sezione di una stazione di ricarica rapida in c.c. e scegliere con cura la tecnologia appropriata per il dispositivo.

Utilizzo di MOSFET SiC a bassa resistenza per la conversione c.c./c.c. ad alta potenza

Lo stadio di conversione c.c./c.c. di un caricatore rapido di livello 3 illustra le sfide dei moderni progetti degli SMPS. Con tensioni di uscita fino a 1 kV, questo stadio richiedeva tipicamente l'uso di transistor bipolari a gate isolato (IGBT) ad alta tensione o di un MOSFET SiC ad alta tensione. Entrambi gli approcci potrebbero introdurre dei compromessi in termini di efficienza: gli IGBT a causa delle elevate perdite di commutazione e, nel caso di alcuni MOSFET SiC di prima generazione, a causa delle perdite di conduzione relativamente elevate. Ad esempio, alcuni MOSFET SiC ad alta tensione di prima generazione avevano una resistenza nello stato On (RDSon) pari anche a 100 mΩ.

La famiglia di MOSFET SiC IXSJxxN120R1 di Littelfuse è una soluzione convincente a questo dilemma. Questa famiglia combina una tensione di blocco fino a 1200 V con una RDSon di soli 18 mΩ. Questa bassa resistenza riduce al minimo le perdite di conduzione e garantisce prestazioni termiche superiori.

Questi dispositivi sono confezionati in un contenitore ceramico isolato con isolamento a 2.500 V_c.a. (1 minuto). Questo design abbassa la resistenza termica tra giunzione e dissipatore e riduce le interferenze elettromagnetiche (EMI) riducendo al minimo la capacità parassita verso il dissipatore, pur utilizzando il familiare contenitore TO-247-3L per facilitare l'integrazione.

Un esempio tipico è il modello IXSJ43N120R1 (Figura 1). Questo dispositivo è classificato per una corrente di drain continuo I_D di 45 A a +25 °C, con una RDSon di 36 mΩ (tipica). Offre inoltre una bassa carica del gate di 79 nC e una capacità di ingresso di 2453 pF, che si presta a progetti con componenti magnetici più piccoli.

Figura 1: Il MOSFET SiC IXSJ43N120R1 da 1.200 V è fornito in un contenitore TO-247-3L isolato ed è classificato per una corrente di drain continuo I_D di 45 A a +25 °C, con una RDSon di 36 mΩ (tipica). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Riducendo le perdite di conduzione e mantenendo la capacità di blocco ad alta tensione, la famiglia IXSJxxN120R1 consente ai progettisti di semplificare le topologie dei convertitori, ridurre il sovraccarico termico e massimizzare l'efficienza complessiva del sistema.

Riduzione al minimo delle perdite di commutazione nelle prestazioni dei front-end attivi

In altri componenti di un caricatore rapido c.c., le perdite di commutazione possono essere più critiche della resistenza di conduzione. Si prenda in esempio il front-end attivo, che converte la corrente alternata in corrente continua e modella la forma d'onda di corrente per soddisfare i requisiti di correzione del fattore di potenza (PFC) e di distorsione armonica. Poiché questo stadio si basa su frequenze di commutazione elevate per ridurre al minimo le dimensioni dell'induttore e del filtro, le perdite di commutazione svolgono un ruolo significativo nell'efficienza complessiva.

La serie di MOSFET SiC LSIC1MO120E di Littelfuse è ottimizzata per queste applicazioni ad alta frequenza. Questi dispositivi combinano una capacità di blocco a 1.200 V con basse perdite dinamiche che li rendono adatti ai convertitori boost PFC nei caricatori rapidi c.c. e in altri sistemi connessi alla rete.

Ad esempio, il modello LSIC1MO120E0080 (Figura 2) è classificato per una corrente di drain continuo (I_D) di 39 A a +25 °C e bilancia una rispettabile RDSon di 80 mΩ (tipica) con una bassa energia di commutazione di 252 µJ per ciclo. L'intervallo esteso della temperatura di giunzione da -55 °C a +175 °C offre un ulteriore margine di progettazione nelle installazioni all'aperto in cui le condizioni ambientali variano notevolmente.

Figura 2: Il MOSFET SiC LSIC1MO120E0080 è ottimizzato per applicazioni ad alta frequenza. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

La serie LSIC1MO120E è disponibile in un contenitore TO-247-3 non isolato. Accoppiando il dispositivo LSIC1MO120E ottimizzato per la perdita di commutazione nel front-end con il modello IXSJxxN120R1 ottimizzato per la perdita di conduzione nello stadio c.c./c.c., i progettisti possono ottimizzare l'efficienza dell'intera catena di alimentazione per la ricarica rapida.

Protezione avanzata dei circuiti con tiristori con gate MOS

Per il funzionamento affidabile, i sistemi di ricarica rapida in c.c. devono resistere alle sovracorrenti transitorie indotte dalla rete e alle improvvise scariche di energia dal collegamento in c.c. durante i guasti. Per proteggere i sistemi sensibili da questi pericoli si utilizzano spesso scudi di tipo crowbar, ma con l'aumento dei livelli di potenza, questi sistemi di protezione richiedono una maggiore capacità di gestione della corrente e tempi di risposta più brevi. Un tiristore con gate MOS come MMIX1H60N150V1 (Figura 3) in un contenitore 24-SMPD è un'ottima soluzione per soddisfare tali requisiti.

Figura 3: Il tiristore con gate MOS MMIX1H60N150V1 è disponibile in un contenitore 24-SMPD. (Immagine per gentile concessione di IXYS/Littelfuse)

Tre attributi si distinguono per l'uso nei circuiti di un caricatore c.c. crowbar:

• Elevata capacità di protezione dalla sovracorrente transitoria: con una potenza nominale di 32 kA per 1 µ e di 11,8 kA a 10 µs, il dispositivo è in grado di assorbire gravi disturbi senza compromettere gli stadi MOSFET SiC a valle.
• Caratteristiche di attivazione rapida: un ritardo di 50 ns e un tempo di salita della corrente di 100 ns consentono di bloccare rapidamente gli eventi di sovratensione prima che si propaghino nel convertitore.
• Diodo antiparallelo integrato: questa caratteristica consente al dispositivo di gestire correnti di guasto bidirezionali, una protezione importante contro i disturbi del collegamento c.c.

L'insieme di queste caratteristiche rende MMIX1H60N150V1 una scelta robusta per la protezione dei sistemi di ricarica rapida c.c. ad alta potenza.

Garantire la disponibilità del sistema e l'alimentazione ausiliaria con raddrizzatori a ponte

Oltre al percorso di alimentazione primario, i caricatori rapidi pubblici in c.c. richiedono l'alimentazione ausiliaria per sistemi quali pompe di raffreddamento, terminali di pagamento, display e collegamenti di comunicazione. Il raddrizzatore a ponte VBE60-06A (Figura 4) è progettato per fornire l'elevata disponibilità richiesta da queste funzioni critiche.

Figura 4: Il raddrizzatore a ponte VBE60-06A è dotato di fori per viti per facilitarne il montaggio. (Immagine per gentile concessione di IXYS/Littelfuse)

Realizzato sulla base della tecnologia di diodi a recupero rapido ad alte prestazioni (HiPerFRED), VBE60-06A combina una bassa perdita di conduzione con caratteristiche di recupero inverso graduale. Tre caratteristiche in particolare ne supportano l'utilizzo in infrastrutture complesse:

• Elevata capacità di potenza: con una tensione di blocco inversa di 600 V e una corrente di uscita a ponte di 60 A, il dispositivo offre un ampio margine di riduzione della potenza nelle apparecchiature esterne che devono funzionare in modo continuo in un ampio intervallo di temperatura.
• Basse EMI: un tempo di recupero inverso di soli 35 ns, combinato con un comportamento di recupero graduale, riduce al minimo le perdite di commutazione e le emissioni ad alta frequenza che possono causare le EMI. La riduzione al minimo delle EMI è fondamentale nei sistemi che integrano elettronica sensibile di controllo di comunicazione.
• Funzionamento robusto: il raddrizzatore è classificato a valanga per garantire prestazioni affidabili in condizioni transitorie. Il contenitore minibloc SOT-227B, standard del settore, garantisce un isolamento di 3000 V, migliorando la sicurezza del sistema e semplificando l'integrazione in gruppi ad alta tensione.

Fornendo ai sottosistemi ausiliari un'alimentazione raddrizzata affidabile e silenziosa dal punto di vista elettromagnetico, VBE60-06A supporta gli obiettivi di tempo di servizio e disponibilità essenziali per le reti di ricarica pubbliche.

Progettazione di soluzioni di sistema complete per applicazioni SMPS

I principi di progettazione a livello di sistema discussi per i caricatori EV rapidi sono applicabili ad altre applicazioni SMPS esigenti. Negli inverter solari, ad esempio, massimizzare l'energy harvesting dipende dalla minimizzazione delle perdite di conduzione e di commutazione negli stadi di inseguimento del punto di massima potenza (MPPT) e dell'inverter. L'utilizzo di MOSFET SiC appropriati può centrare entrambi gli obiettivi, mentre una robusta protezione dai picchi transitori con tiristori con gate MOS può salvaguardare la longevità e l'operatività del sistema.

Gli azionamenti di motori industriali presentano sfide simili. La commutazione ad alta frequenza consente il controllo preciso del motore riducendo le vibrazioni, ma aumenta anche la sollecitazione termica. I MOSFET SiC a bassa perdita aiutano a tenere sotto controllo questi fattori, migliorando l'efficienza e riducendo i costi operativi. Al tempo stesso, gli ambienti industriali più difficili dal punto di vista elettrico richiedono la protezione ad alta corrente e a intervento rapido offerta dai tiristori con gate MOS, che garantiscono l'affidabilità richiesta dalle operazioni industriali continue.

Inoltre, sia gli inverter solari sia gli azionamenti di motori industriali utilizzano alimentazione ausiliaria per il controllo, il monitoraggio e altri sistemi critici. Queste funzioni richiedono una fonte di alimentazione affidabile e silenziosa dal punto di vista elettromagnetico, un ruolo che può essere svolto da raddrizzatori con caratteristiche robuste, recupero graduale e basse EMI.

Infine, tutte le soluzioni qui presentate hanno ampi intervalli della temperatura di funzionamento che vanno da almeno -40 °C a +150 °C, con alcuni dispositivi che supportano temperature superiori. Gli ampi intervalli della temperatura di funzionamento garantiscono l'affidabilità dei dispositivi negli ambienti difficili in cui vengono utilizzati i caricatori EV e altri sistemi SMPS.

Conclusione

La progettazione di caricatori c.c. rapidi affidabili ed efficienti richiede una serie di dispositivi ad alte prestazioni. Ciascun blocco funzionale impone i propri requisiti ai componenti, dall'efficienza di commutazione alla perdita di conduzione, fino all'affidabilità a lungo termine. Littelfuse risponde a queste diverse esigenze con un portafoglio comprendente commutazione, raddrizzamento e protezione, consentendo ai tecnici di assemblare soluzioni complete a livello di sistema. Questi vantaggi si estendono a tutte le applicazioni SMPS, offrendo ai progettisti gli strumenti per soddisfare le esigenze dei diversi mercati.