Optimice la eficiencia de las SMPS con un enfoque multitecnológico

La eficiencia y robustez de las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) las hacen adecuadas para aplicaciones como infraestructura de carga de vehículos eléctricos (EV), inversores solares y accionamientos de motores industriales. Sin embargo, la demanda de voltajes y corrientes de funcionamiento más altos, reducción de las pérdidas térmicas y de conducción, y factores de forma más compactos requiere que los diseñadores incorporen tecnología MOSFET avanzada de carburo de silicio (SiC). Esta tecnología debe combinarse cuidadosamente con tiristores activados por MOS y rectificadores de puente de recuperación rápida para producir el sistema de conversión de energía óptimo.

Este artículo proporciona una descripción general de los requisitos de las SMPS utilizando un ejemplo de cargador EV. A continuación, presenta los MOSFET de SiC de IXYS/Littelfuse, examina sus capacidades y demuestra cómo la combinación de diferentes tecnologías de dispositivos, cada una optimizada para funciones de circuito específicas, crea sistemas de conversión de energía más eficientes y compactos.

Descripción general de las SMPS modernas que utilizan una infraestructura pública de carga rápida de vehículos eléctricos como ejemplo

La eficiencia es una característica distintiva de las SMPS, pero las aplicaciones modernas de alta potencia están llevando estos diseños a nuevos extremos. Considere los requisitos de un cargador rápido público de corriente continua (CC), como un sistema de nivel 3 que entrega hasta 350 kW. Una pérdida de eficiencia del 1% se traduce en 3,5 kW de energía desperdiciada, lo que aumenta significativamente tanto el costo operativo como la carga térmica.

Los MOSFET de SiC de alto rendimiento son fundamentales para lograr una mayor eficiencia. Su capacidad para conmutar a alta frecuencia mientras mantienen una baja resistencia a la conducción permite pasivos más pequeños y reduce las pérdidas de conversión. Desafortunadamente, estos mismos factores hacen que los MOSFET de SiC sean vulnerables a sobretensiones transitorias. Por lo tanto, los diseños de alta eficiencia suelen requerir esquemas de protección más avanzados.

Además, los MOSFET de SiC no son la mejor solución para todas las partes de un cargador de nivel 3. Por ejemplo, los cargadores públicos requieren un sistema de energía auxiliar para bombas de refrigerante, comunicaciones de red y otras funciones del sistema. Estos sistemas deben permanecer operativos incluso si se interrumpe la ruta de carga principal. Aquí, un dispositivo basado en diodos de silicio (Si) de alta confiabilidad puede ser una mejor opción.

Es esencial comprender los requisitos de cada sección de una estación de carga rápida de CC y elegir cuidadosamente la tecnología de dispositivo adecuada.

Uso de MOSFET de SiC de baja resistencia para la conversión CC-CC de alta potencia

La etapa de conversión CC-CC de un cargador rápido de nivel 3 ilustra los desafíos del diseño de las SMPS modernas. Con voltajes de salida de hasta 1 kilovoltio (kV), esta etapa tradicionalmente requería transistores bipolares de puerta aislada con Si (IGBT) de alto voltaje o el uso de un MOSFET de SiC de alto voltaje. Ambos enfoques podrían introducir penalizaciones de eficiencia: IGBT a través de altas pérdidas de conmutación y, en el caso de algunos MOSFET de SiC de primera generación, a través de pérdidas de conducción relativamente altas. Por ejemplo, algunos MOSFET de SiC de alto voltaje de primera generación tenían una resistencia en estado encendido (R_DS(ON)) en el ámbito de 100 mΩ.

Littelfuse presenta la familia de MOSFET de SiC serie IXSJxxN120R1 que ofrece una solución convincente a este dilema. Esta familia combina un voltaje de bloqueo de hasta 1200 voltios con un R_{DS (ON)} tan bajo como 18 mΩ. Esta baja resistencia minimiza las pérdidas de conducción y proporciona un rendimiento térmico superior.

Los dispositivos están empaquetados en un paquete cerámico aislado con aislamiento de 2.500 V_CA (1 minuto). Este diseño reduce la resistencia térmica de la unión al disipador térmico y reduce la interferencia electromagnética (EMI) al minimizar la capacitancia parásita del disipador térmico, al tiempo que utiliza el paquete familiar TO-247-3L para facilitar la integración.

Un ejemplo típico es el IXSJ43N120R1 (Figura 1). Este dispositivo está clasificado para una corriente de drenaje continua I_D de 45 A a +25°C, con un R_{DS (ON)} de 36 mΩ (típico). También ofrece una carga de puerta baja de 79 nC y una capacitancia de entrada de 2453 pF, lo que se presta a diseños con imanes más pequeños.

Figura 1: El MOSFET de SiC de 1.200 V IXSJ43N120R1 viene en un paquete aislado TO-247-3L y está clasificado para una corriente de drenaje continua I_D de 45 A a +25°C, con un R_DS(ON) de 36 mΩ (típico). (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Al reducir las pérdidas de conducción mientras se mantiene la capacidad de bloqueo de alto voltaje, la familia IXSJxxN120R1 permite a los diseñadores simplificar las topologías de los convertidores, reducir la sobrecarga térmica y aumentar la eficiencia general del sistema.

Reducción de las pérdidas de conmutación en el rendimiento activo del front-end

En otras partes de un cargador rápido de CC, las pérdidas de conmutación pueden ser más críticas que la resistencia de conducción. Considere el front-end activo, que convierte CA en CC mientras da forma a la forma de onda actual para cumplir con los requisitos de corrección del factor de potencia (PFC) y distorsión armónica. Debido a que esta etapa se basa en frecuencias de conmutación elevadas para reducir el tamaño del inductor y el filtro, las pérdidas de conmutación juegan un papel importante en la eficiencia general.

La serie LSIC1MO120E de MOSFET de SiC de Littelfuse está optimizada para estas aplicaciones de alta frecuencia. Estos dispositivos combinan una capacidad de bloqueo de 1200 voltios con bajas pérdidas dinámicas, lo que los hace adecuados para convertidores elevadores de PFC en cargadores rápidos de CC y otros sistemas conectados a la red.

Por ejemplo, el LSIC1MO120E0080 (Figura 2) está clasificado para una corriente de drenaje continua (I_D) de 39 A a +25°C, y equilibra un respetable R_{DS (ON)} de 80 mΩ (típico) con una baja energía de conmutación por ciclo de 252 μJ. Un rango de temperatura de unión extendido de -55°C a + 175°C proporciona un margen de diseño adicional en instalaciones al aire libre donde las condiciones ambientales varían ampliamente.

Figura 2: El MOSFET de SiC serie LSIC1MO120E0080 está optimizado para aplicaciones de alta frecuencia. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

La serie LSIC1MO120E viene en un paquete TO-247-3 no aislado. Al emparejar el LSIC1MO120E optimizado para pérdidas de conmutación en el front-end con el IXSJxxN120R1 optimizado para pérdidas de conducción en la etapa de CC/CC, los diseñadores pueden optimizar la eficiencia en toda la cadena de alimentación de carga rápida.

Protección avanzada de circuitos con tiristores activados por MOS

Para garantizar un funcionamiento confiable, los sistemas de carga rápida de CC deben soportar sobretensiones inducidas por la red, así como descargas repentinas de energía del enlace de CC durante fallas. Los protectores estilo palanca se utilizan a menudo para proteger los sistemas sensibles de estos peligros, pero a medida que aumentan los niveles de potencia, estos sistemas de protección necesitan una mayor capacidad de manejo de corriente y tiempos de respuesta más rápidos. Un tiristor activado por MOS como el MMIX1H60N150V1 (Figura 3) en un paquete de 24 SMPD es una excelente opción para estos requisitos.

Figura 3: El tiristor activado por MOS serie MMIX1H60N150V1 viene en un paquete de 24 SMPD. (Fuente de la imagen: IXYS/Littelfuse)

Tres atributos se destacan para su uso en circuitos de palanca de cargador de CC:

• Alta capacidad de sobretensión: Con una potencia nominal de 32 kiloamperios (kA) durante 1 microsegundo (μs) y 11,8 kA a 10 μs, el dispositivo puede absorber perturbaciones graves sin comprometer las etapas posteriores del MOSFET de SiC.
• Características de activación rápida: Un retraso de 50 nanosegundos (ns) y un tiempo de aumento de corriente de 100 ns permiten una rápida sujeción de los eventos de sobretensión antes de que se propaguen al convertidor.
• Diodo antiparalelo integrado: Esta característica permite que el dispositivo maneje corrientes de falla bidireccionales, una protección importante contra las perturbaciones del enlace de CC.

Juntos, estos atributos hacen que el MMIX1H60N150V1 sea una opción sólida para proteger los sistemas de carga rápida de CC de alta potencia.

Garantizar la disponibilidad del sistema y la energía auxiliar con rectificadores de puente

Más allá de la ruta de alimentación principal, los cargadores rápidos de CC públicos requieren energía auxiliar para sistemas como bombas de enfriamiento, terminales de pago, pantallas y enlaces de comunicación. El rectificador de puente VBE60-06A (Figura 4) está diseñado para proporcionar la alta disponibilidad exigida por estas funciones críticas.

Figura 4: El rectificador de puente VBE60-06A proporciona orificios para tornillos para facilitar el montaje. (Fuente de la imagen: IXYS/Littelfuse)

Construido sobre la tecnología de diodo de recuperación rápida y alto rendimiento (HiPerFRED), el VBE60-06A combina una baja pérdida de conducción con características de recuperación inversa suave. Tres atributos en particular respaldan su uso en aplicaciones de infraestructura exigentes:

• Alta capacidad de potencia: Con un voltaje de bloqueo inverso de 600 voltios y una corriente de salida de puente de 60 A, el dispositivo proporciona un amplio margen para la reducción de potencia en equipos exteriores que deben funcionar continuamente en un amplio rango de temperatura.
• EMI baja: Un tiempo de recuperación inversa de solo 35 ns, combinado con un comportamiento de recuperación suave, reduce las pérdidas de conmutación y las emisiones de alta frecuencia que pueden causar EMI. Minimizar la EMI es fundamental en los sistemas que integran comunicaciones sensibles y electrónica de control.
• Funcionamiento robusto: El rectificador está clasificado para avalanchas para un rendimiento confiable en condiciones transitorias. Su paquete de minibloque SOT-227B estándar de la industria proporciona un aislamiento de 3000 voltios, lo que mejora la seguridad del sistema y simplifica la integración en conjuntos de alto voltaje.

Al proporcionar energía rectificada confiable y electromagnéticamente silenciosa para subsistemas auxiliares, el VBE60-06A respalda los objetivos de tiempo de actividad y disponibilidad que son esenciales para las redes de carga públicas.

Diseño de soluciones de sistema completas para aplicaciones SMPS

Los principios de diseño a nivel de sistema discutidos para los cargadores rápidos de vehículos eléctricos son directamente aplicables a otras aplicaciones SMPS exigentes. En los inversores solares, por ejemplo, maximizar la recolección de energía depende de minimizar las pérdidas de conducción y conmutación en las etapas de seguimiento del punto de máxima potencia (MPPT) e inversor. El uso conjunto de los MOSFET de SiC adecuados puede lograr ambos objetivos, mientras que la protección contra sobretensiones robusta con tiristores activados por MOS puede salvaguardar la longevidad y el tiempo de actividad del sistema.

Los accionamientos de motores industriales presentan desafíos similares. La conmutación de alta frecuencia permite un control preciso del motor al tiempo que reduce la vibración, pero también aumenta el estrés térmico. Los MOSFET de SiC de baja pérdida ayudan a controlar estas demandas, mejorando la eficiencia y reduciendo los costos operativos. Al mismo tiempo, los entornos industriales eléctricamente rigurosos requieren la protección de alta corriente y acción rápida que brindan los tiristores activados por MOS, lo que garantiza la confiabilidad requerida en las operaciones industriales continuas.

Además, tanto los inversores solares como los accionamientos de motores industriales emplean energía auxiliar para el control, la supervisión y otros sistemas críticos. Estas funciones requieren una fuente de alimentación confiable y electromagnéticamente silenciosa, un papel que pueden cumplir los rectificadores con clasificaciones robustas, recuperación suave y EMI baja.

Finalmente, todas las soluciones presentadas aquí tienen amplios rangos de temperatura de funcionamiento que van desde al menos -40°C a + 150°C, y algunos dispositivos admiten temperaturas aún más extremas. Los amplios rangos de temperatura de funcionamiento garantizan que los dispositivos sigan siendo confiables en entornos hostiles donde se implementan cargadores de vehículos eléctricos y otros sistemas SMPS.

Conclusión

El diseño de cargadores rápidos de CC confiables y eficientes requiere una variedad de dispositivos de alto rendimiento. Cada bloque funcional impone sus propias exigencias a los componentes, desde la eficiencia de conmutación hasta la pérdida de conducción y la fiabilidad a largo plazo. Littelfuse aborda estas diversas necesidades con una cartera que abarca conmutación, rectificación y protección, lo que permite a los ingenieros ensamblar soluciones completas a nivel de sistema. Estos beneficios se extienden a través de las aplicaciones SMPS, brindando a los diseñadores las herramientas para cumplir con los requisitos exigentes en diversos mercados.