Utiliser des semi-conducteurs de puissance SiC pour améliorer le rendement des convertisseurs à découpage hautes performances

Les dispositifs de puissance au carbure de silicium (SiC) promettent une réduction des coûts et une amélioration du rendement par rapport aux composants au silicium (Si) répandus. Pourtant, il se peut que certains concepteurs voient toujours les semi-conducteurs SiC comme des composants assez chers et compliqués à contrôler.

En nous appuyant sur des exemples de dispositifs SiC de Microchip Technology, mettons fin à ces préoccupations, en commençant par souligner les avantages fondamentaux de la technologie SiC. Nous aborderons ensuite les semi-conducteurs de puissance SiC et présenterons les outils de simulation, les circuits d'attaque de grille numériques configurables et les conceptions de référence qui peuvent rendre le processus de développement plus gérable.

Petits, légers, efficaces et rentables

De nombreuses applications électriques hautes performances dans les usines, les véhicules électriques (VE) ou l'énergie renouvelable doivent sans cesse améliorer le rendement de conversion énergétique, préserver les ressources et réduire les coûts. Les MOSFET SiC offrent certains avantages remarquables pour les tensions système jusqu'à 2000 volts (V) et les niveaux de puissance supérieurs à 3 kilowatts (kW) par rapport aux transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) Si éprouvés.

Caractérisés par des fronts de commutation raides et un dépassement moindre, les semi-conducteurs SiC parviennent à avoir des pertes de commutation extrêmement basses, jusqu'à 70 % inférieures à celles des IGBT à une fréquence de commutation de 30 kilohertz (kHz) (Figure 1). Cela améliore le rendement du système et entraîne une réduction des interférences électromagnétiques (EMI), ce qui réduit la nécessité de la correction du facteur de puissance (PFC) et des filtres antiparasites.

Figure 1 : Par rapport aux IGBT (en haut), les MOSFET SiC (en bas) réduisent les pertes de commutation de plus de 70 % à une fréquence de commutation de 30 kHz. (Source de l'image : Microchip Technology)

Un fonctionnement à hautes fréquences de commutation, à hautes tensions et à courants plus faibles entraîne des composants inductifs et capacitifs plus petits. Cela permet de réduire le poids, la taille des fils et les coûts de nomenclature. Par rapport aux transistors Si, les semi-conducteurs SiC sont plus stables à des températures plus élevées et offrent une meilleure dissipation de la chaleur, ce qui permet d'opter pour des dissipateurs thermiques plus petits et ainsi de réduire le volume.

Grâce à leur énergie d'avalanche élevée, les MOSFET SiC sont robustes dans les cas d'utilisation de commutation inductive non bloquée (UIS). Les MOSFET SiC sont généralement très fiables, atteignant une haute densité de puissance et tolérant les courts-circuits transitoires.

Diodes Schottky SiC rapides à faible perte

Les semi-conducteurs SiC de Microchip Technology offrent une option innovante pour les concepteurs à la recherche d'un meilleur rendement système, d'un format plus petit et d'une température de fonctionnement plus élevée pour les applications comme les onduleurs photovoltaïques, la charge de batteries, le stockage d'énergie, les systèmes d'entraînement moteur, les alimentations secourues (UPS), les alimentations auxiliaires et les alimentations à découpage (SMPS).

Les diodes Schottky (SBD) SiC de Microchip sont conçues avec des valeurs équilibrées pour le courant de pointe, la tension directe, la résistance thermique, la capacité thermique, le faible courant inverse et les faibles pertes de commutation.

Les diodes Schottky sont disponibles dans des conceptions discrètes, comme la double SBD MSC050SDA070BCT avec cathode commune et boîtier TO-247-3, qui peut prendre en charge une tension de rétablissement inverse répétitive (V_RRM) de 700 V et un courant direct (I_F) de 88 ampères (A). Le module en pont complet MSC50DC70HJ est doté de bornes à vis et peut prendre en charge 700 V et 50 A, tandis que le module en pont triphasé MSCDC50X1201AG est conçu pour le soudage de composants traversants.

MOSFET SiC robustes à fort courant et haute tension

Les derniers MOSFET SiC offrent une capacité UIS élevée d'environ 10 à 25 joules par centimètre carré (J/cm²). Un transistor simple à canal N typique comme le MSC080SMA120B4 se présente dans un boîtier TO-247-4, commute 37 A à 1200 V maximum et offre une connexion à une source Kelvin distincte pour la commande de grille sans interférence.

Les modules d'alimentation à MOSFET SiC sont parfaits pour les applications de convertisseur à découpage de l'ordre du kilowatt avec des valeurs à deux et trois chiffres. Par exemple, le module en demi-pont MSCSM120AM02CT6LIAG présente des bornes à vis et une très faible inductance de fuite. Il contient deux MOSFET à canal N capables de commuter en toute sécurité des tensions de circuit de charge jusqu'à 1200 V et des courants continus jusqu'à 947 A.

Le demi-pont triphasé MSCSM120TAM31CT3AG peut prendre en charge des tensions drain-source (V_DSS) jusqu'à 1200 V, des courants de commutation (I_D) jusqu'à 89 A et une dissipation de puissance (P_D) maximale de 395 W. Les diodes de roue libre SBD intégrées présentent un recouvrement inverse nul, un recouvrement direct nul et une commutation indépendante de la température.

Circuit d'attaque de grille programmable numérique

Tous les composants matériels et logiciels nécessaires au fonctionnement des modules SiC à faible inductance sont inclus dans le kit de développement SiC accéléré de Microchip (ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01). Le kit inclut une carte plug-in de circuit d'attaque de grille SiC numérique à double canal prête à l'emploi, conçue pour commander des modules SiC 1200 V. Le circuit d'attaque de grille peut être programmé pour des performances optimales à l'aide de l'outil de configuration intelligent (ICT) de Microchip et d'un adaptateur de programmation.

La carte de circuit d'attaque se branche directement au module SiC à l'aide d'une carte d'adaptateur appropriée pour former une unité compacte en demi-pont pour un fonctionnement on/off à plusieurs niveaux (Figure 2). Les circuits d'attaque de grille prennent en charge une commande avancée de la commutation, offrent une protection robuste contre les courts-circuits et sont entièrement configurables par logiciel, y compris les tensions de grille V_gs +/-.

Figure 2 : Dans le kit de développement ASDAK-MSCSM120AM02CT6LIAG-01, une carte d'adaptateur permet de connecter un module d'alimentation SiC à une carte de circuit d'attaque de grille, pour former une unité d'alimentation compacte en demi-pont. (Source de l'image : Microchip Technology)

Développer rapidement et avec succès

Pour concevoir des semi-conducteurs SiC pour votre application de manière simple, rapide et fiable, vous pouvez aussi utiliser le simulateur de puissance SiC MPLAB de Microchip. Basé sur PLECS (Piecewise Linear Electrical Circuit Simulation), le simulateur de circuit aide les concepteurs à évaluer les dispositifs SiC avant de créer un prototype. Il calcule les pertes de puissance et estime les températures de jonction pour les dispositifs SiC en utilisant des données de test en laboratoire pour les topologies courantes de convertisseur de puissance, comme les applications CC/CA, CA/CC et CC/CC.

Le simulateur de puissance SiC MPLAB en ligne vous permet de choisir parmi différentes topologies de circuit, vous guide dans la sélection des composants, définit les paramètres de fonctionnement, et simule les courbes de signaux pour la tension, le courant, la dissipation de puissance et la température (Figure 3).

Figure 3 : Le simulateur de puissance SiC MPLAB en ligne montre les paramètres du circuit et du système sur la gauche, et les courbes de signaux simulées sur la droite. Ici, il s'agit des courbes de tension et de courant du circuit à pont triphasé de Vienne. (Source de l'image : Microchip Technology)

Microchip propose de nombreuses conceptions de référence basées SiC documentées, notamment des fichiers de conception, pour aider les ingénieurs à se lancer rapidement. Ces conceptions incluent des alimentations, des chargeurs et des systèmes de stockage d'énergie électrique pour les applications industrielles et d'électromobilité :

• Pont CC/CC bidirectionnel 11 kW pour la charge de VE
• PFC triphasée de Vienne 30 kW
• Conception de référence de pile d'alimentation SiC triphasée 150 kilovoltampères (kVA)

Conclusion

Les semi-conducteurs de puissance SiC de Microchip fournissent de hautes performances système dans les applications de convertisseur à découpage de l'ordre du kilowatt avec des valeurs à deux et trois chiffres, et permettent d'obtenir des conceptions compactes à densité de puissance élevée. Par ailleurs, les concepteurs bénéficient d'outils de simulation coordonnés, de circuits d'attaque de grille numériques configurables et de nombreuses conceptions de référence pour concevoir plus rapidement leurs propres circuits.