کارایی و استحکام منابع تغذیه حالت سوئیچ (SMPS) آنها را به ویژه برای کاربردهایی مانند ایستگاه های شارژ وسایل نقلیه الکتریکی (EV)، اینورترهای خورشیدی و درایوهای موتور صنعتی مناسب می کند. با این حال، به دلیل نیاز به ولتاژ و جریان عملیاتی بالاتر، هدایت کمتر و تلفات حرارتی، و ظاهر فشرده تر، طراحان باید از فناوری پیشرفته کاربید سیلیکون (SiC) MOSFET استفاده کنند. این فناوری باید به دقت با تریستورهای دردار MOS و یکسو کننده های پل بازیابی سریع ترکیب شود تا بهترین سیستم تبدیل توان ایجاد شود.
این مقاله ایستگاه های شارژ خودروهای الکتریکی را به عنوان مثال برای تشریح الزامات SMPS در نظر می گیرد. سپس، ماسفتهای SiC IXYS/Litelfuse معرفی شدند، عملکرد آنها مورد بررسی قرار گرفت و نحوه ترکیب فناوریهای مختلف دستگاه (هر کدام برای عملکردهای مدار خاص بهینهسازی شده) برای ایجاد یک سیستم تبدیل توان کارآمدتر و فشردهتر نشان داده شد.
مروری بر SMPS مدرن با استفاده از ایستگاه های شارژ سریع وسایل نقلیه الکتریکی عمومی به عنوان مثال
کارایی یکی از ویژگی های SMPS است، اما برنامه های کاربردی مدرن با قدرت بالا این طرح ها را به سمت افراط های جدید سوق می دهند. الزامات ایستگاه های شارژ سریع جریان مستقیم عمومی (DC) مانند یک سیستم 3 سطحی با قدرت تا 350 کیلو وات را در نظر بگیرید. کاهش بازده 1% معادل اتلاف 3.5 کیلووات برق است که هزینه های عملیاتی و بارهای حرارتی را به شدت افزایش می دهد.
ماسفت SiC با کارایی بالا هسته اصلی برای دستیابی به راندمان بالاتر است. آنها می توانند سوئیچینگ با فرکانس بالا را انجام دهند و در عین حال مقاومت کم را حفظ کنند و امکان استفاده از اجزای غیرفعال کوچکتر و کاهش تلفات تبدیل را فراهم کنند. متأسفانه، این عوامل باعث می شوند که ماسفت های SiC در برابر نوسانات ولتاژ گذرا مستعد شوند. بنابراین، طراحی کارآمد اغلب به طرحهای حفاظتی پیشرفتهتری نیاز دارد.
علاوه بر این، ماسفت SiC راه حل بهینه برای هر قسمت از یک ایستگاه شارژ 3 سطحی نیست. به عنوان مثال، ایستگاه های شارژ عمومی به یک سیستم قدرت کمکی برای پمپ های خنک کننده، ارتباطات شبکه و سایر عملکردهای سیستم نیاز دارند. حتی اگر مسیر اصلی شارژ قطع شود، این سیستم ها باید فعال بمانند. در این مورد، دستگاه های دیود سیلیکونی (Si) با قابلیت اطمینان بالا ممکن است انتخاب بهتری باشند.
لازم است الزامات هر قسمت از ایستگاه شارژ سریع DC را درک کرده و فناوری تجهیزات مناسب را با دقت انتخاب کنید.
استفاده از ماسفت SiC با مقاومت کم برای دستیابی به تبدیل DC-DC با توان بالا
مرحله تبدیل DC-DC ایستگاه شارژ سریع 3 سطحی چالش های پیش روی طراحی مدرن SMPS را نشان می دهد. با توجه به ولتاژ خروجی بالا تا 1 کیلوولت (کیلوولت)، این مرحله به طور سنتی نیاز به استفاده از ترانزیستورهای دوقطبی گیت سیلیکونی عایقدار (IGBT) یا ماسفتهای کاربید سیلیکون ولتاژ بالا دارد. هر دو روش منجر به تلفات کارایی می شوند: IGBT تلفات سوئیچینگ بالایی دارد، در حالی که برخی از ماسفت های SiC اولیه تلفات رسانایی نسبتا بالایی دارند. برای مثال، مقاومت روشن (RDS (ON)) برخی از ماسفتهای ولتاژ بالا SiC اولیه حدود 100 متر اهم بود.
سری ماسفت Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC راه حل قانع کننده ای برای این مشکل ارائه می دهد. این سری از محصولات دارای ولتاژ مسدود کننده تا 1200 ولت و RDS (ON) کمتر از 18 m Ω هستند. این ویژگی مقاومت کم می تواند تلفات هدایت را به حداقل برساند و عملکرد حرارتی عالی را به دست آورد.
این دستگاه ها در سرامیک ایزوله با قابلیت ولتاژ ایزوله 2500 VAC (1 دقیقه) بسته بندی می شوند. این طراحی باعث کاهش مقاومت حرارتی به هیت سینک و به حداقل رساندن تداخل الکترومغناطیسی (EMI) با به حداقل رساندن ظرفیت سرگردان هیت سینک می شود. در همان زمان، بسته آشنای TO-247-3L را پذیرفته است که یکپارچگی را تسهیل می کند.
IXSJ43N120R1 یک مثال معمولی است (شکل 1). شناسه جریان تخلیه مداوم نامی دستگاه در +25 درجه سانتیگراد 45 A است و RDS (ON) 36 m Ω (مقدار معمولی) است. همچنین دارای شارژ کم گیت 79 نانوسیسیوس و ظرفیت ورودی 2453 pF است که آن را برای طرح هایی با آهنرباهای کوچکتر مناسب می کند.
تصویر ماسفت Littelfuse IXSJ43N120R1 1200 V SiC
شکل 1: ماسفت IXSJ43N120R1 1200 ولت SiC از یک بسته TO-247-3L ایزوله استفاده می کند، با شناسه جریان تخلیه مداوم نامی 45 A و RDS (ON) 36 m Ω (مقدار معمولی) در +25 درجه سانتی گراد. (منبع تصویر: Littel)
سری IXSJxxN120R1 تلفات هدایت را کاهش میدهد و در عین حال قابلیت مسدود کردن ولتاژ بالا را حفظ میکند و طراحان را قادر میسازد تا توپولوژی مبدل را سادهسازی کنند، سربار حرارتی را کاهش دهند و کارایی کلی سیستم را به حداکثر برسانند.
تلفات سوئیچ را در عملکرد فعال جلویی به حداقل برسانید
در سایر قسمتهای ایستگاه شارژ سریع DC، تلفات سوئیچ ممکن است مهمتر از مقاومت باشد. قسمت جلویی فعال برق AC را به توان DC تبدیل می کند و شکل موج جریان را برای برآورده کردن الزامات تصحیح ضریب توان (PFC) و اعوجاج هارمونیک شکل می دهد. با توجه به اتکا به فرکانس های سوئیچینگ بالاتر در این مرحله برای به حداقل رساندن اندازه سلف ها و فیلترها، تلفات سوئیچینگ نقش مهمی در بازده کلی دارد.
سری LSIC1MO120E SiC MOSFET Littelfuse برای این کاربردهای فرکانس بالا بهینه شده است. این دستگاهها قابلیت مسدود کردن 1200 ولت و تلفات دینامیکی کم را ترکیب میکنند و برای مبدلهای تقویت کننده PFC در ایستگاههای شارژ سریع DC و سایر سیستمهای متصل به شبکه بسیار مناسب هستند.
برای مثال، جریان نامی تخلیه پیوسته (II) LSIC1MO120E0080 (شکل 2) در +25 درجه سانتیگراد 39 A است، R (DSON) 80 m Ω (مقدار معمولی) است، و انرژی سوئیچینگ در هر چرخه 252 میکروژولو است. محدوده دمای اتصال توسعه یافته از -55 درجه سانتیگراد یا حاشیه طراحی اضافی برای نصب و راه اندازی بزرگ تا +1 درجه سانتیگراد است. شرایط