Эффективность и надежность импульсных источников питания (SMPS) делают их особенно подходящими для таких применений, как зарядные станции электромобилей (EV), солнечные инверторы и приводы промышленных двигателей. Однако из-за необходимости более высокого рабочего напряжения и тока, меньшей проводимости и тепловых потерь, а также более компактного внешнего вида разработчики должны использовать передовую технологию MOSFET на основе карбида кремния (SiC). Эту технологию необходимо тщательно комбинировать с МОП-тиристорами и мостовыми выпрямителями с быстрым восстановлением, чтобы создать лучшую систему преобразования энергии.
В этой статье в качестве примера используются зарядные станции для электромобилей, чтобы изложить требования SMPS. Затем были представлены SiC MOSFET компании IXYS/Litelfuse, исследованы их характеристики и продемонстрировано, как различные технологии устройств (каждая из которых оптимизирована для определенных функций схемы) объединяются для создания более эффективной и компактной системы преобразования энергии.
Обзор современных ИИП на примере быстрых общественных зарядных станций для электромобилей
Эффективность является отличительной чертой SMPS, но современные приложения высокой мощности выводят эти конструкции на новый уровень. Учитывайте требования общественных станций быстрой зарядки постоянного тока (DC), например трехуровневой системы мощностью до 350 кВт. Потеря эффективности на 1% эквивалентна потере 3,5 киловатт электроэнергии, что значительно увеличивает эксплуатационные расходы и тепловые нагрузки.
Высокопроизводительный SiC MOSFET является основой для достижения более высокой эффективности. Они могут выполнять высокочастотное переключение, сохраняя при этом низкое сопротивление, что позволяет использовать пассивные компоненты меньшего размера и снижать потери преобразования. К сожалению, эти факторы также делают SiC MOSFET чувствительными к переходным скачкам напряжения. Поэтому эффективная конструкция часто требует более совершенных схем защиты.
Более того, SiC MOSFET не является оптимальным решением для каждой части трехуровневой зарядной станции. Например, общественным зарядным станциям требуется вспомогательная система питания для насосов охлаждающей жидкости, сетевой связи и других функций системы. Даже если основной путь зарядки будет прерван, эти системы должны оставаться в рабочем состоянии. В этом случае лучшим выбором могут быть высоконадежные кремниевые (Si) диоды.
Необходимо понимать требования каждой части станции быстрой зарядки постоянного тока и тщательно выбирать подходящую технологию оборудования.
Использование SiC MOSFET с низким сопротивлением для достижения мощного преобразования постоянного тока в постоянный ток.
Стадия преобразования постоянного тока в постоянный ток трехуровневой станции быстрой зарядки демонстрирует проблемы, с которыми сталкиваются современные конструкции SMPS. Из-за высокого выходного напряжения до 1 киловольта (кВ) на этом этапе традиционно требуется использование высоковольтных биполярных транзисторов с кремниевым изолированным затвором (IGBT) или высоковольтных полевых МОП-транзисторов из карбида кремния. Оба метода приводят к потерям эффективности: IGBT имеет высокие потери переключения, в то время как некоторые ранние SiC MOSFET имеют относительно высокие потери проводимости. Например, сопротивление открытого состояния (RDS (ON)) некоторых первых высоковольтных SiC MOSFET составляло около 100 мОм.
Серия SiC MOSFET Littelfuse IXSJxxN120R1 обеспечивает убедительное решение этой проблемы. Эта серия продуктов имеет напряжение блокировки до 1200 В и сопротивление RDS (ВКЛ) всего 18 мОм. Эта характеристика низкого сопротивления позволяет минимизировать потери проводимости и добиться превосходных тепловых характеристик.
Эти устройства упакованы в изолированный керамический корпус с выдержкой напряжения изоляции 2500 В переменного тока (1 минута). Такая конструкция снижает тепловое сопротивление радиатора и сводит к минимуму электромагнитные помехи (EMI) за счет сведения к минимуму паразитной емкости радиатора. В то же время он использует знакомый пакет TO-247-3L, который облегчает интеграцию.
Типичный пример — IXSJ43N120R1 (рис. 1). Номинальный непрерывный ток стока ID устройства при +25°C составляет 45 А, а RDS (ВКЛ) - 36 мОм (типовое значение). Он также имеет низкий заряд затвора 79 нКл и входную емкость 2453 пФ, что делает его подходящим для конструкций с магнитами меньшего размера.
Изображение Littelfuse IXSJ43N120R1 1200 В SiC MOSFET
Рис. 1. SiC MOSFET IXSJ43N120R1 на 1200 В выполнен в изолированном корпусе TO-247-3L с номинальным постоянным током стока 45 А и сопротивлением RDS (ВКЛ) 36 мОм (типовое значение) при +25 °C. (Источник изображения: Littelfuse)
Серия IXSJxxN120R1 снижает потери проводимости, сохраняя при этом возможность блокировки высокого напряжения, что позволяет разработчикам упростить топологию преобразователя, снизить тепловые накладные расходы и максимизировать общую эффективность системы.
Минимизируйте потери коммутатора при активной производительности внешнего интерфейса.
В других частях станции быстрой зарядки постоянного тока потери на переключателе могут быть более важными, чем на сопротивлении. Активный внешний интерфейс преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока и формирует форму сигнала тока в соответствии с требованиями коррекции коэффициента мощности (PFC) и гармонических искажений. Поскольку на этом этапе для минимизации размеров катушек индуктивности и фильтров используются более высокие частоты переключения, потери при переключении играют важную роль в общем КПД.
Серия SiC MOSFET LSIC1MO120E компании Littelfuse оптимизирована для этих высокочастотных приложений. Эти устройства сочетают в себе способность блокировки 1200 В и низкие динамические потери, что делает их очень подходящими для повышающих преобразователей PFC на станциях быстрой зарядки постоянного тока и других системах, подключенных к сети.
Например, номинальный непрерывный ток стока (II) LSIC1MO120E0080 (рис. 2) при +25°C составляет 39 А, R (DSON) - 80 мОм (типовое значение), а энергия переключения за цикл - 252 мкДж. Расширенный диапазон температур перехода составляет от -55°C до +175°C, что обеспечивает дополнительный расчетный запас для наружной установки с большими условиями окружающей среды.