Hiệu quả và độ bền của các nguồn cung cấp điện chế độ chuyển đổi (SMPS) làm cho chúng đặc biệt phù hợp cho các ứng dụng như trạm sạc xe điện (EV), biến tần năng lượng mặt trời,và động cơ công nghiệpTuy nhiên, do nhu cầu về điện áp và dòng điện hoạt động cao hơn, dẫn điện và mất nhiệt thấp hơn, và ngoại hình nhỏ gọn hơn,Các nhà thiết kế phải áp dụng công nghệ MOSFET silicon carbide (SiC) tiên tiếnCông nghệ này phải được kết hợp cẩn thận với thyristors MOS cổng và nhanh chóng khôi phục cầu rectifiers để tạo ra hệ thống chuyển đổi năng lượng tốt nhất.
Bài viết này lấy các trạm sạc xe điện làm ví dụ để phác thảo các yêu cầu của SMPS. Sau đó, các MOSFET SiC của IXYS/Litelfuse đã được giới thiệu, hiệu suất của chúng đã được kiểm tra,và cách các công nghệ thiết bị khác nhau (mỗi thiết bị được tối ưu hóa cho các chức năng mạch cụ thể) được kết hợp để tạo ra một hệ thống chuyển đổi năng lượng hiệu quả và nhỏ gọn hơn.
Tổng quan về SMPS hiện đại sử dụng các trạm sạc xe điện công cộng nhanh như một ví dụ
Hiệu quả là một đặc điểm đặc trưng của SMPS, nhưng các ứng dụng công suất cao hiện đại đang đẩy các thiết kế này đến những cực mới.,Một sự mất hiệu quả 1% tương đương với việc lãng phí 3,5 kilowatt năng lượng, làm tăng đáng kể chi phí hoạt động và tải trọng nhiệt.
SiC MOSFET hiệu suất cao là cốt lõi để đạt được hiệu quả cao hơn. Chúng có thể thực hiện chuyển đổi tần số cao trong khi duy trì kháng cự thấp,cho phép sử dụng các thành phần thụ động nhỏ hơn và giảm tổn thất chuyển đổiThật không may, các yếu tố này cũng làm cho SiC MOSFET dễ bị sóng điện áp tạm thời. Do đó, thiết kế hiệu quả thường đòi hỏi các chương trình bảo vệ tiên tiến hơn.
Hơn nữa, SiC MOSFET không phải là giải pháp tối ưu cho tất cả các bộ phận của trạm sạc 3 cấp.Truyền thông mạng, và các chức năng hệ thống khác. Ngay cả khi đường sạc chính bị gián đoạn, các hệ thống này phải vẫn hoạt động. Trong trường hợp này, các thiết bị silicon (Si) diode độ tin cậy cao có thể là một lựa chọn tốt hơn.
Cần phải hiểu các yêu cầu của từng phần của trạm sạc nhanh DC và cẩn thận chọn công nghệ thiết bị phù hợp.
Sử dụng MOSFET SiC kháng thấp để đạt được chuyển đổi DC-DC công suất cao
Giai đoạn chuyển đổi DC-DC của trạm sạc nhanh 3 cấp cho thấy những thách thức đối với thiết kế SMPS hiện đại.giai đoạn này thường yêu cầu sử dụng các transistor cực đoan cổng cách điện silic cao áp (IGBT) hoặc MOSFET cacbon silic cao ápCả hai phương pháp đều dẫn đến mất hiệu quả: IGBT có lỗ chuyển đổi cao, trong khi một số MOSFET SiC ban đầu có lỗ dẫn tương đối cao.kháng cự trên (RDS (ON)) của một số MOSFET SiC điện áp cao ban đầu là khoảng 100 m Ω.
Dòng MOSFET SiC Littelfuse IXSJxxN120R1 cung cấp một giải pháp thuyết phục cho vấn đề này. Dòng sản phẩm này có điện áp chặn cao tới 1200 volt và RDS (ON) thấp đến 18 m Ω.Tính năng kháng thấp này có thể giảm thiểu tổn thất dẫn và đạt được hiệu suất nhiệt tuyệt vời.
Các thiết bị này được đóng gói trong gốm bị cô lập với khả năng điện áp cô lập là 2500 VAC (1 phút).Thiết kế này làm giảm sức đề kháng nhiệt đối với tản nhiệt và giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI) bằng cách giảm thiểu dung lượng lạc của tản nhiệtĐồng thời, nó áp dụng các gói quen thuộc TO-247-3L, tạo điều kiện tích hợp dễ dàng.
IXSJ43N120R1 là một ví dụ điển hình (Hình 1). ID dòng thoát liên tục định giá của thiết bị ở + 25 ° C là 45 A, và RDS (ON) là 36 m Ω (giá trị điển hình).Nó cũng có một điện tích cổng thấp 79 nC và dung lượng đầu vào là 2453 pF, làm cho nó phù hợp với các thiết kế với nam châm nhỏ hơn.
Hình ảnh MOSFET SiC 1200 V
Hình 1: IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET sử dụng gói TO-247-3L cô lập, với chỉ số ID dòng thoát liên tục 45 A và RDS (ON) 36 m Ω (giá trị điển hình) ở + 25 ° C. (nguồn hình:(Chỉ cần một chút)
Dòng IXSJxxN120R1 làm giảm tổn thất dẫn điện trong khi duy trì khả năng chặn điện áp cao, cho phép các nhà thiết kế đơn giản hóa cấu trúc biến tần, giảm chi phí nhiệt,và tối đa hóa hiệu quả hệ thống tổng thể.
Giảm thiểu tổn thất chuyển đổi trong hiệu suất front-end hoạt động
Trong các phần khác của trạm sạc nhanh DC, tổn thất chuyển mạch có thể quan trọng hơn so với kháng cự.Mặt trước hoạt động chuyển đổi điện AC sang điện DC và định hình hình dạng sóng hiện tại để đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh yếu tố điện (PFC) và biến dạng hài hòaDo sự phụ thuộc vào tần số chuyển đổi cao hơn trong giai đoạn này để giảm thiểu kích thước của các cảm ứng và bộ lọc, tổn thất chuyển đổi đóng một vai trò quan trọng trong hiệu quả tổng thể.
LSIC1MO120E SiC MOSFET của Littelfuse đã được tối ưu hóa cho các ứng dụng tần số cao này.làm cho chúng rất phù hợp với các bộ chuyển đổi tăng cường PFC trong các trạm sạc nhanh DC và các hệ thống kết nối lưới khác.
Ví dụ, dòng chảy thoát liên tục (II) của LSIC1MO120E0080 (Hình 2) ở + 25 ° C là 39 A, R (DSON) là 80 m Ω (giá trị điển hình) và năng lượng chuyển đổi mỗi chu kỳ là 252 μ J.Phạm vi nhiệt độ nối mở rộng là từ -55 ° C đến + 175 ° C, cung cấp một phạm vi thiết kế bổ sung cho các thiết bị ngoài trời với điều kiện môi trường lớn.