Optimiser le rendement des alimentations à découpage grâce à une approche multi-technologie

Le rendement et la robustesse des alimentations à découpage (SMPS) en font une solution idéale pour les applications telles que les infrastructures de recharge des véhicules électriques (VE), les onduleurs solaires et les entraînements de moteurs industriels. Cependant, la demande en matière de tensions et de courants de fonctionnement plus élevés, de pertes thermiques et par conduction réduites et de facteurs de forme plus compacts oblige les concepteurs à intégrer la technologie avancée des MOSFET en carbure de silicium (SiC). Cette technologie doit être combinée avec soin à des thyristors à grille MOS et à des ponts redresseurs à récupération rapide afin de produire un système de conversion de puissance optimal.

Cet article donne un aperçu des exigences relatives aux alimentations à découpage à l'aide d'un exemple de chargeur de VE. Il présente ensuite des MOSFET SiC d'IXYS/Littelfuse, examine leurs capacités et démontre comment la combinaison de différentes technologies de dispositifs, chacune optimisée pour des fonctions de circuit spécifiques, permet de créer des systèmes de conversion de puissance plus efficaces et plus compacts.

Vue d'ensemble des SMPS modernes à l'aide d'un exemple d'infrastructure publique de recharge rapide de VE

Le rendement est une caractéristique distinctive des SMPS, mais les applications modernes haute puissance poussent ces conceptions vers de nouveaux extrêmes. Prenons l'exemple des exigences d'un chargeur public rapide à courant continu (CC), tel qu'un système de niveau 3 délivrant jusqu'à 350 kW. Une perte de rendement de 1 % se traduit par un gaspillage de 3,5 kW d'énergie, ce qui augmente considérablement le coût d'exploitation et la charge thermique.

Les MOSFET SiC hautes performances sont essentiels pour atteindre un plus haut rendement. Leur capacité à commuter à haute fréquence tout en maintenant une faible résistance de conduction permet d'utiliser des composants passifs plus petits et de réduire les pertes de conversion. Malheureusement, ces mêmes facteurs rendent les MOSFET SiC vulnérables aux surtensions transitoires. Les conceptions haut rendement nécessitent donc généralement des systèmes de protection plus avancés.

De plus, les MOSFET SiC ne constituent pas la meilleure solution pour toutes les parties d'un chargeur de niveau 3. Par exemple, les chargeurs publics nécessitent un système d'alimentation auxiliaire pour les pompes de refroidissement, les communications réseau et d'autres fonctions du système. Ces systèmes doivent rester opérationnels même si le circuit de charge principal est interrompu. Dans ce cas, un dispositif à diode en silicium (Si) haute fiabilité peut être un choix plus judicieux.

Il est essentiel de comprendre les exigences de chaque partie d'une borne de recharge CC rapide et de choisir avec soin la technologie de dispositif appropriée.

Utilisation de MOSFET SiC à faible résistance pour la conversion CC/CC haute puissance

L'étage de conversion CC/CC d'un chargeur rapide de niveau 3 illustre les défis de la conception moderne des SMPS. Avec des tensions de sortie pouvant atteindre 1 kV, cet étage nécessitait traditionnellement soit des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) Si haute tension, soit l'utilisation d'un MOSFET SiC haute tension. Ces deux approches pouvaient entraîner des pertes de rendement : les IGBT en raison de pertes de commutation élevées et, dans le cas de certains MOSFET SiC de première génération, en raison de pertes par conduction relativement élevées. Par exemple, certains MOSFET SiC haute tension de première génération avaient une résistance à l'état passant (R_DS(ON)) de l'ordre de 100 mΩ.

La gamme de MOSFET SiC IXSJxxN120R1 de Littelfuse offre une solution convaincante à ce dilemme. Cette gamme combine une tension de blocage pouvant atteindre 1200 V avec une résistance R_DS(ON) de seulement 18 mΩ. Cette faible résistance minimise les pertes par conduction et offre des performances thermiques supérieures.

Les dispositifs sont conditionnés dans un boîtier en céramique isolé avec un isolement de 2500 V_CA (1 minute). Cette conception réduit la résistance thermique entre la jonction et le dissipateur thermique et diminue les interférences électromagnétiques (EMI) en minimisant la capacité parasite vers le dissipateur thermique, tout en utilisant le boîtier TO-247-3L familier pour faciliter l'intégration.

Un exemple typique est l'IXSJ43N120R1 (Figure 1). Ce dispositif est répertorié pour un courant de drain continu I_D de 45 A à +25°C, avec une résistance R_DS(ON) de 36 mΩ (typique). Il offre également une faible charge de grille de 79 nC et une capacité d'entrée de 2453 pF, ce qui le rend adapté aux conceptions avec des composants magnétiques plus petits.

Figure 1 : Le MOSFET SiC IXSJ43N120R1 1200 V est fourni en boîtier TO-247-3L isolé et il est répertorié pour un courant de drain continu I_D de 45 A à +25°C, avec une résistance R_DS(ON) de 36 mΩ (typique). (Source de l'image : Littelfuse)

En réduisant les pertes par conduction tout en maintenant une capacité de blocage haute tension, la gamme IXSJxxN120R1 permet aux concepteurs de simplifier la topologie des convertisseurs, de réduire la charge thermique et d'optimiser le rendement global du système.

Réduction des pertes de commutation dans les performances du circuit d'entrée actif

Dans d'autres parties d'un chargeur rapide CC, les pertes de commutation peuvent être plus critiques que la résistance de conduction. Prenons l'exemple du circuit d'entrée actif, qui convertit le courant alternatif en courant continu tout en façonnant la forme d'onde du courant pour répondre aux exigences de correction du facteur de puissance (PFC) et de distorsion harmonique. Comme cet étage repose sur des fréquences de commutation élevées pour minimiser la taille de l'inductance et du filtre, les pertes de commutation jouent un rôle important dans le rendement global.

La série de MOSFET SiC LSIC1MO120E de Littelfuse est optimisée pour ces applications haute fréquence. Ces dispositifs combinent une capacité de blocage de 1200 V avec de faibles pertes dynamiques, ce qui les rend parfaitement adaptés aux convertisseurs élévateurs PFC dans les chargeurs rapides CC et autres systèmes connectés au réseau.

Par exemple, le LSIC1MO120E0080 (Figure 2) est répertorié pour un courant de drain continu (I_D) de 39 A à +25°C, et il offre un bon équilibre entre une résistance R_DS(ON) respectable de 80 mΩ (typique) et une faible énergie de commutation par cycle de 252 µJ. Une plage de températures de jonction étendue de -55°C à +175°C offre une marge de conception supplémentaire dans les installations extérieures où les conditions ambiantes varient considérablement.

Figure 2 : Le MOSFET SiC LSIC1MO120E0080 est optimisé pour les applications haute fréquence. (Source de l'image : Littelfuse)

La série LSIC1MO120E est fournie dans un boîtier TO-247-3 non isolé. En associant la série LSIC1MO120E optimisée pour les pertes de commutation dans le circuit d'entrée avec l'IXSJxxN120R1 optimisé pour les pertes par conduction dans l'étage CC/CC, les concepteurs peuvent optimiser le rendement sur l'ensemble de la chaîne d'alimentation à charge rapide.

Protection des circuits avancée avec des thyristors à grille MOS

Pour garantir un fonctionnement fiable, les systèmes de charge rapide CC doivent résister aux surtensions induites par le réseau ainsi qu'aux décharges d'énergie soudaines provenant de la liaison CC en cas de défaut. Des protecteurs à thyristor sont souvent utilisés pour protéger les systèmes sensibles contre ces dangers, mais à mesure que les niveaux de puissance augmentent, ces systèmes de protection nécessitent une tenue en courant plus élevée et des temps de réponse plus rapides. Un thyristor à grille MOS tel que le MMIX1H60N150V1 (Figure 3) en boîtier 24-SMPD répond parfaitement à ces exigences.

Figure 3 : Le thyristor à grille MOS MMIX1H60N150V1 est fourni dans un boîtier 24-SMPD. (Source de l'image : IXYS/Littelfuse)

Trois attributs se distinguent pour une utilisation dans les circuits à thyristor des chargeurs CC :

• Haute tenue aux pointes d'énergie : répertorié à 32 kA pendant 1 µs et à 11,8 kA pendant 10 µs, ce dispositif peut absorber des perturbations importantes sans compromettre les étages du MOSFET SiC en aval.
• Caractéristiques de déclenchement rapide : un délai de 50 ns et un temps de montée du courant de 100 ns permettent un blocage rapide des surtensions avant qu'elles ne se propagent dans le convertisseur.
• Diode antiparallèle intégrée : cette fonctionnalité permet au dispositif de gérer les courants de défaut bidirectionnels, une protection importante contre les perturbations de la liaison CC.

Ensemble, ces attributs font du MMIX1H60N150V1 un choix robuste pour protéger les systèmes de charge rapide CC haute puissance.

Garantir la disponibilité du système et l'alimentation auxiliaire avec des ponts redresseurs

Au-delà du circuit d'alimentation principal, les chargeurs publics rapides CC nécessitent une alimentation auxiliaire pour des systèmes tels que les pompes de refroidissement, les terminaux de paiement, les écrans et les liaisons de communication. Le pont redresseur VBE60-06A (Figure 4) est conçu pour fournir la haute disponibilité exigée par ces fonctions critiques.

Figure 4 : Le pont redresseur VBE60-06A est doté de trous de vis pour faciliter le montage. (Source de l'image : IXYS/Littelfuse)

Basé sur la technologie des diodes à récupération rapide hautes performances (HiPerFRED), le pont redresseur VBE60-06A combine une faible perte par conduction avec des caractéristiques de recouvrement inverse progressif. Trois attributs en particulier favorisent son utilisation dans les applications d'infrastructure exigeantes :

• Capacité de puissance élevée : avec une tension de blocage inverse de 600 V et un courant de sortie de pont de 60 A, ce dispositif offre une marge suffisante pour le détarage des équipements extérieurs qui doivent fonctionner en continu dans une plage de températures étendue.
• Faibles EMI : un temps de recouvrement inverse de seulement 35 ns, associé à un comportement de recouvrement progressif, minimise les pertes de commutation et réduit les émissions haute fréquence pouvant causer des EMI. La minimisation des EMI est essentielle dans les systèmes intégrant des composants électroniques de communication et de contrôle sensibles.
• Fonctionnement robuste : le redresseur est répertorié contre les avalanches, ce qui garantit des performances fiables en conditions transitoires. Son boîtier minibloc SOT-227B, conforme aux normes industrielles, offre un isolement de 3000 V, ce qui améliore la sécurité du système et simplifie l'intégration dans les assemblages haute tension.

En fournissant une alimentation redressée fiable et électromagnétiquement silencieuse aux sous-systèmes auxiliaires, le VBE60-06A soutient les objectifs de disponibilité et de temps de fonctionnement qui sont essentiels aux réseaux de recharge publics.

Conception de solutions système complètes pour les applications SMPS

Les principes de conception au niveau du système évoqués pour les chargeurs rapides de VE s'appliquent directement à d'autres applications SMPS exigeantes. Dans les onduleurs solaires, par exemple, l'optimisation de la récupération d'énergie repose sur la minimisation des pertes par conduction et des pertes de commutation dans les étages de conversion optimale d'énergie (MPPT) et d'onduleurs. L'utilisation conjointe de MOSFET SiC appropriés permet d'atteindre ces deux objectifs, tandis qu'une protection robuste contre les surtensions avec des thyristors à grille MOS peut garantir la longévité et la disponibilité du système.

Les entraînements de moteurs industriels présentent des défis similaires. La commutation haute fréquence permet un contrôle précis du moteur tout en réduisant les vibrations, mais elle augmente également la contrainte thermique. Les MOSFET SiC à faible perte aident à contrôler ces exigences, ce qui améliore le rendement et réduit les coûts d'exploitation. Dans le même temps, les environnements industriels difficiles sur le plan électrique nécessitent la protection à action instantanée et à courant élevé fournie par les thyristors à grille MOS, garantissant ainsi la fiabilité requise dans les opérations industrielles continues.

De plus, les onduleurs solaires et les entraînements de moteurs industriels utilisent une alimentation auxiliaire pour le contrôle, la surveillance et d'autres systèmes critiques. Ces fonctions nécessitent une source d'alimentation fiable et électromagnétiquement silencieuse, un rôle qui peut être rempli par des redresseurs robustes, à recouvrement progressif et à faibles EMI.

Enfin, toutes les solutions présentées ici ont des plages de températures de fonctionnement étendues de -40°C à +150°C, certains dispositifs supportant même des températures plus extrêmes. Les plages de températures de fonctionnement étendues garantissent la fiabilité des dispositifs dans les environnements difficiles où sont déployés les chargeurs de VE et autres systèmes SMPS.

Conclusion

La conception de chargeurs rapides CC fiables et rentables requiert une variété de dispositifs hautes performances. Chaque bloc fonctionnel impose ses propres exigences aux composants, qu'il s'agisse du rendement de commutation, des pertes par conduction ou de la fiabilité à long terme. Littelfuse répond à ces divers besoins avec un portefeuille qui couvre la commutation, le redressement et la protection, permettant aux ingénieurs d'assembler des solutions complètes au niveau système. Ces avantages s'étendent à toutes les applications SMPS, offrant aux concepteurs les outils nécessaires pour répondre aux exigences strictes de divers marchés.