Xuning Zhang et Kevin Speer
Technologie de micropuce
Les concepteurs de systèmes d'alimentation haute tension se sont efforcés de répondre aux besoins d'innovation continue des clients lors de l'utilisation de MOSFET et d'IGBT au silicium. La fiabilité souhaitée ne peut souvent pas être atteinte sans sacrifier l'efficacité, et les solutions à base de silicium ne peuvent pas non plus répondre aux exigences actuelles en matière de taille, de poids et de coût. Cependant, avec l'avènement des MOSFET en carbure de silicium (SiC) haute tension, les concepteurs ont désormais la possibilité d'améliorer les performances tout en résolvant tous les autres défis.
Les produits SiC 1700V d'aujourd'hui s'appuient sur le succès des dispositifs d'alimentation SiC 650V à 1200V qui ont été de plus en plus adoptés au cours des 20 dernières années. La technologie a déjà permis des avancées significatives dans les équipements finaux ; et maintenant, avec des dispositifs d'alimentation 1700V, il étend les innombrables avantages de la technologie SiC à de nouveaux segments du marché final tels que les véhicules électriques commerciaux et lourds, la traction sur rail léger et les systèmes d'alimentation auxiliaires, les énergies renouvelables et les entraînements industriels, entre autres.
Les concepteurs peuvent maximiser les avantages offerts par les MOSFET SiC 1700 V avec le bloc d'alimentation et la commande de grille appropriés. Cela augmente ses avantages par rapport aux solutions de silicium actuelles dans la gamme la plus large possible de niveaux de puissance.
Avantages à des niveaux de puissance inférieurs
Les avantages des MOSFET SiC 1700 V commencent à des niveaux de puissance aussi bas que des dizaines ou des centaines de watts. La technologie SiC est la solution idéale pour l'alimentation auxiliaire (AuxPS) utilisée dans pratiquement tous les systèmes d'électronique de puissance. Sans AuxPS, il n'y a aucun moyen d'alimenter les contrôleurs de porte, les circuits de détection et de contrôle ou les ventilateurs de refroidissement. En raison de ses fonctions critiques, la fiabilité est la priorité absolue pour les applications AuxPS.
L'une des façons dont les MOSFET SiC 1700 V aident à atténuer les défauts AuxPS est leur tension de claquage élevée, leur résistance spécifique à l'activation plus faible et leur vitesse de commutation rapide. Pris ensemble, ces attributs permettent une conception de circuit plus simplifiée en utilisant la topologie flyback à commutateur unique (voir Figure 1). En comparaison, les solutions à base de silicium ont soit une tension nominale trop faible pour cette topologie (nécessitant une architecture à deux commutateurs et doublant le risque de pannes), soit elles sacrifient les performances pour la tension nominale. De plus, ils ne sont pas disponibles auprès d'un nombre suffisant de fournisseurs et sont plus chers que les dispositifs SiC.
En permettant une topologie flyback à commutateur unique, les MOSFET SiC 1700 300 V permettent aux alimentations à découpage isolées basse consommation d'aujourd'hui de prendre en charge diverses exigences d'entrée et de sortie. Ils peuvent accepter une entrée DC haute tension (1000V à 5V) et sortir une source basse tension (48V à XNUMXV). La topologie flyback à commutateur unique améliore la simplicité et réduit le nombre de composants et le coût global associé.
Outre sa plus grande fiabilité, son schéma de contrôle moins complexe, moins de composants et son coût réduit, un AuxPS utilisant des MOSFET SiC 1700 V peut également être plus compact. La résistance à l'état passant normalisée en zone, également appelée résistance à l'état passant spécifique (Rsur, sp), , des MOSFET SiC est une fraction de celle des MOSFET silicium. Cela signifie que des boîtiers plus petits peuvent être utilisés pour des matrices plus petites et que les pertes par conduction sont réduites, ce qui peut finalement entraîner une réduction (ou une élimination) de la taille et des dépenses des dissipateurs thermiques. Les MOSFET SiC ont également des pertes de commutation plus faibles, ce qui permet de réduire la taille, le poids et le coût des transformateurs avec l'augmentation de la fréquence de commutation.
La figure 2 montre le degré d'amélioration de l'efficacité des différents dispositifs SiC disponibles en fonction de la puissance de sortie. Avec les appareils les plus efficaces d'aujourd'hui, les concepteurs de systèmes peuvent même mettre en œuvre un refroidissement passif, ce qui signifie qu'aucun dissipateur thermique n'est nécessaire.
Les avantages augmentent à mesure que la puissance traitée augmente
L'impact de la commutation plus rapide et plus efficace de la technologie SiC augmente à mesure que la puissance traitée augmente. En augmentant l'échelle de puissance à des dizaines ou des centaines de kilowatts (kW), les applications de la technologie SiC sont nombreuses. La figure 3 montre un onduleur triphasé multi-kW (75 kW dans cet exemple) et sa topologie. On le trouve dans la traction des véhicules électriques, les chargeurs de véhicules électriques, les onduleurs solaires, les onduleurs et les entraînements à moteur, entre autres.
La figure 4 compare l'efficacité de cette conception d'onduleur utilisant des modules de puissance de 1700 V dans un boîtier à faible inductance avec celle d'autres semi-conducteurs de puissance. Le module SiC a démontré une efficacité maximale de 99,4 % à 10 kHz. Même lorsque la fréquence de commutation a été triplée à 30 kHz, le module SiC offrait toujours une efficacité supérieure à celle des IGBT au silicium. Cela permet de réduire les composants de filtre lourds et coûteux à seulement un tiers de leur taille d'origine.
En général, les MOSFET réduisent les pertes de commutation de 80 % en moyenne par rapport aux IGBT au silicium, permettant aux convertisseurs d'augmenter la fréquence de commutation tout en réduisant la taille, le poids et le coût des transformateurs encombrants et coûteux. Les pertes de conduction des MOSFET SiC et des IGBT silicium sont similaires sous de fortes charges, mais il est plus important de considérer les conditions dites de "charge légère" dans lesquelles de nombreuses applications passent la majeure partie de leur durée de vie. Parmi eux se trouvent des onduleurs solaires situés sous une structure ombragée ou par temps nuageux ; convertisseurs d'éoliennes fonctionnant les jours calmes ; et les portes des trains qui ne s'ouvrent/ferment que périodiquement grâce aux groupes auxiliaires de puissance (APU) de transport. Les MOSFET SiC ont des pertes de conduction plus faibles que les IGBT au silicium dans ces cas d'utilisation, complétant leurs faibles pertes de commutation. La combinaison de pertes de conduction et de commutation plus faibles permet aux concepteurs de réduire ou d'éliminer le dissipateur thermique ou d'autres mesures de gestion thermique.
Semblables aux applications AuxPS à faible puissance, les MOSFET SiC utilisés dans cette plage de puissance supérieure améliorent la fiabilité en permettant aux concepteurs d'utiliser une topologie de circuit et un schéma de contrôle plus simplifiés. Ceci, à son tour, réduit le nombre de composants et les coûts associés. Dans ces applications, les besoins de fourniture de puissance plus élevés des convertisseurs de moyenne puissance nécessitent l'utilisation d'une tension de bus CC plus élevée, généralement comprise entre 1000V et 1300V. Pour maximiser l'efficacité, les concepteurs utilisant des transistors au silicium à ces tensions de liaison CC élevées ont traditionnellement dû choisir entre quelques architectures de circuits complexes à trois niveaux. Les exemples sont le circuit de diode Neutral Point Clamped (NPC), le circuit ANPC (active NPC) et le circuit de type T. Cela change avec les MOSFET SiC 1700 V, qui permettent aux concepteurs d'utiliser les deux niveaux avec la moitié du nombre d'appareils et un contrôle beaucoup plus rationalisé. Par exemple, un système qui utilisait auparavant des IGBT au silicium dans une topologie de circuit à trois niveaux pourrait utiliser la moitié (ou moins) de modules MOSFET SiC 1700 V dans une topologie à deux niveaux plus fiable.
La figure 5 montre dans quelle mesure les concepteurs peuvent réduire le nombre total de pièces dans les circuits NPC, ANPC et de type T avec la technologie SiC. Sans tenir compte des avantages de la mise en parallèle de plusieurs unités dans chaque position de commutateur, les différentes architectures de circuit utilisées avec les IGBT ont 4 à 6 fois plus de composants qu'une solution SiC. Lorsque le nombre d'unités est réduit, le nombre de contrôleurs de porte est également réduit et le schéma de commande est simplifié.
Passer à l'échelle d'application du mégawatt
Les applications à l'échelle du mégawatt vont des transformateurs à semi-conducteurs (SST) et des systèmes de distribution CC moyenne tension aux unités de puissance de traction (TPU) dans les véhicules utilitaires et lourds. D'autres applications sont les onduleurs solaires centraux et les convertisseurs éoliens offshore, ainsi que les systèmes de conversion de puissance à bord des navires. La figure 6 montre un exemple de convertisseur modulaire multiniveau.
Dans les applications de cette plage de puissance de plusieurs mégawatts, un convertisseur de transformateur à semi-conducteurs comme celui illustré ci-dessus utilise plusieurs niveaux de cellules de puissance connectées en série pour répondre aux exigences de tension. Chaque cellule peut être un demi-pont ou un pont complet. Certains concepteurs optent même pour des architectures à trois niveaux. L'utilisation de solutions modulaires basées sur une cellule unitaire de base améliore l'évolutivité et minimise la maintenance. Parfois appelées blocs ou sous-modules d'électronique de puissance, ces cellules unitaires sont configurées comme des convertisseurs en pont en H en cascade ou des convertisseurs multiniveaux modulaires (MMC).
Pour mettre en œuvre ces cellules unitaires, les concepteurs ont historiquement utilisé des IGBT au silicium de 1200 1700 V à 1700 1700 V. Lorsqu'ils sont remplacés par des MOSFET SiC 1700 V au niveau de la cellule unitaire, le même effet que celui décrit dans les applications à faible puissance se produit : une meilleure contrôlabilité de la puissance et des performances électriques. Les faibles pertes de commutation des MOSFET SiC 1700 V permettent d'augmenter la fréquence de commutation. La taille de chaque cellule unitaire est considérablement réduite et la tension de blocage élevée de 10 V réduit le nombre de cellules unitaires nécessaires pour la même tension de liaison CC. En fin de compte, cela augmente la fiabilité du système en réduisant le nombre de cellules, tout en réduisant les coûts en utilisant moins de commutateurs actifs et de contrôleurs de porte. Par exemple, lors de l'utilisation d'une solution SiC 30V dans un transformateur statique fonctionnant sur une ligne de distribution moyenne tension XNUMXkV, le nombre de cellules connectées en série peut être réduit de XNUMX% par rapport à celles connectées en série.ils utilisent des alternatives au silicium.
Importance de l'encapsulation de puissance et de la bonne conduite de la porte
Étant donné que les MOSFET SiC peuvent commuter des niveaux de puissance élevés à des vitesses très élevées, il existe des effets secondaires qui doivent être atténués, tels que le bruit et les interférences électromagnétiques (EMI), ainsi qu'un temps de tenue aux courts-circuits limité et une surtension causée par l'inductance. surchauffe. Le convertisseur de puissance moyenne typique émet des centaines d'ampères sur un bus 1000V - 1300V en moins d'une microseconde.
Microchip propose des options de conditionnement de module SiC MOSFET qui réduisent considérablement l'inductance parasite. Ceux-ci incluent des boîtiers en demi-pont avec une inductance parasite aussi faible que < 2,9 nanohenrys (nH), maximisant le courant, la fréquence de commutation et l'efficacité (voir Figure 7). Ces types de boîtiers offrent également une densité de puissance plus élevée et un facteur de forme compact, permettant de mettre en parallèle moins de modules pour des systèmes complets, contribuant ainsi à réduire davantage la taille de l'équipement.
En plus de minimiser l'inductance du boîtier et d'optimiser la conception du système, les concepteurs peuvent également utiliser une nouvelle méthode de commande de grille spécialement conçue pour atténuer les effets secondaires des vitesses de commutation plus rapides des MOSFET SiC. Les contrôleurs de porte numériques à action rapide, intelligents et configurables d'aujourd'hui réduisent les surtensions drain-source (VDS) jusqu'à 80 % par rapport à l'approche analogique traditionnelle et réduisent les pertes de commutation jusqu'à 50 %. Ils réduisent également les délais de mise sur le marché jusqu'à six mois et offrent de nouvelles capacités de commutation accrues.
Ces fonctionnalités permettent aux concepteurs d'explorer les paramètres et de les réutiliser pour différents paramètres de contrôleur de porte, tels que les profils de commutateur de porte, les moniteurs de système critiques et les paramètres d'interface de contrôleur. Ils peuvent régler rapidement les contrôleurs de porte pour prendre en charge de nombreuses applications différentes sans aucune modification matérielle, réduisant ainsi le temps de développement de l'évaluation à la production. Ils peuvent également modifier les paramètres de contrôle tout au long du processus de conception et modifier les profils de commutation sur le terrain selon les besoins et/ou si les MOSFET SiC se dégradent.
Les offres actuelles de MOSFET SiC devraient également faire partie d'un écosystème SiC complet qui offre un chemin direct de l'évaluation à la production. Cela inclut des options de module personnalisables ainsi que des contrôleurs de porte numériques qui permettent aux utilisateurs d'optimiser les performances du système et de réduire les délais de mise sur le marché d'un simple clic de souris. Les autres éléments de l'écosystème comprennent des plaques d'adaptation de module de référence, un module d'alimentation à faible inductance SP6LI, du matériel de montage et des connecteurs pour thermistance et tension continue, ainsi qu'un kit de programmation pour logiciel configurable. Des produits discrets complémentaires complètent l'écosystème.
Une suite d'avantages
Dans un continuum d'applications de conversion de puissance, des watts aux mégawatts, les MOSFET SiC haute tension poussent les concepteurs au-delà des compromis des solutions silicium pour stimuler l'innovation dans le développement de systèmes de conversion de puissance. Ils augmentent la fiabilité tout en réduisant les coûts, tout en diminuant simultanément la taille et le poids des systèmes d'alimentation et des convertisseurs les plus efficaces. Lorsqu'ils sont utilisés avec une commande de grille numérique intelligente, les MOSFET SiC 1700 V offrent leur valeur la plus élevée possible. Microchip propose une large gamme de composants SiC robustes et fiables sous forme de puces, de modules discrets et de modules de puissance, ainsi que des solutions de contrôle de grille numérique, permettant au concepteur d'adopter le SiC avec facilité, rapidité et confiance.
