إن كفاءة ومتانة مصادر الطاقة في وضع التبديل (SMPS) تجعلها مناسبة بشكل خاص لتطبيقات مثل محطات شحن السيارات الكهربائية (EV)، ومحولات الطاقة الشمسية، ومحركات المحركات الصناعية. ومع ذلك، نظرًا للحاجة إلى جهد تشغيل أعلى وتيار أعلى، وانخفاض التوصيل وفقدان الحرارة، ومظهر أكثر إحكاما، يجب على المصممين اعتماد تقنية MOSFET المتقدمة من كربيد السيليكون (SiC). يجب دمج هذه التقنية بعناية مع الثايرستور ذي البوابة MOS ومقومات جسر الاسترداد السريع لإنشاء أفضل نظام لتحويل الطاقة.
تأخذ هذه المقالة محطات شحن السيارات الكهربائية كمثال لتوضيح متطلبات SMPS. بعد ذلك، تم تقديم وحدات SiC MOSFET الخاصة بـ IXYS/Litelfuse، وتم فحص أدائها، وكيفية دمج تقنيات الأجهزة المختلفة (كل منها محسنة لوظائف دائرة معينة) لإنشاء نظام تحويل طاقة أكثر كفاءة وصغير الحجم.
نظرة عامة على SMPS الحديثة باستخدام محطات شحن السيارات الكهربائية العامة السريعة كمثال
تعد الكفاءة سمة مميزة لـ SMPS، لكن التطبيقات الحديثة عالية الطاقة تدفع هذه التصميمات إلى أبعاد جديدة. خذ بعين الاعتبار متطلبات محطات الشحن السريع ذات التيار المباشر العام، مثل نظام ثلاثي المستويات بقدرة تصل إلى 350 كيلووات. إن خسارة الكفاءة بنسبة 1% تعادل إهدار 3.5 كيلووات من الطاقة، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في تكاليف التشغيل والأحمال الحرارية.
يعد SiC MOSFET عالي الأداء هو الأساس لتحقيق كفاءة أعلى. يمكنهم إجراء تحويل عالي التردد مع الحفاظ على مقاومة منخفضة، مما يسمح باستخدام مكونات سلبية أصغر وتقليل خسائر التحويل. ولسوء الحظ، فإن هذه العوامل أيضًا تجعل دوائر SiC MOSFET عرضة لارتفاع الجهد العابر. لذلك، غالبًا ما يتطلب التصميم الفعال أنظمة حماية أكثر تقدمًا.
علاوة على ذلك، فإن SiC MOSFET ليس الحل الأمثل لكل جزء من محطة شحن ذات 3 مستويات. على سبيل المثال، تتطلب محطات الشحن العامة نظام طاقة إضافيًا لمضخات التبريد، واتصالات الشبكة، ووظائف النظام الأخرى. وحتى في حالة انقطاع مسار الشحن الرئيسي، يجب أن تظل هذه الأنظمة قيد التشغيل. في هذه الحالة، قد تكون أجهزة الصمام الثنائي السيليكوني (Si) عالية الموثوقية خيارًا أفضل.
من الضروري فهم متطلبات كل جزء من محطة الشحن السريع DC واختيار تكنولوجيا المعدات المناسبة بعناية.
استخدام SiC MOSFET ذو المقاومة المنخفضة لتحقيق تحويل DC-DC عالي الطاقة
توضح مرحلة تحويل DC-DC لمحطة الشحن السريع ذات 3 مستويات التحديات التي يواجهها تصميم SMPS الحديث. نظرًا لجهد الخرج العالي الذي يصل إلى 1 كيلوفولت (kV)، تتطلب هذه المرحلة تقليديًا استخدام ترانزستورات ثنائية القطب معزولة بالسيليكون عالية الجهد (IGBTs) أو MOSFETs ذات الجهد العالي من كربيد السيليكون. تؤدي كلتا الطريقتين إلى خسائر في الكفاءة: لدى IGBT خسائر تحويل عالية، في حين أن بعض الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة SiC MOSFETs المبكرة لديها خسائر توصيل عالية نسبيًا. على سبيل المثال، كانت مقاومة التشغيل (RDS (ON)) لبعض الدوائر المتكاملة منخفضة المقاومة SiC ذات الجهد العالي المبكرة حوالي 100 متر أوم.
توفر سلسلة Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET حلاً مقنعًا لهذه المشكلة. تتميز هذه السلسلة من المنتجات بجهد حجب يصل إلى 1200 فولت و RDS (ON) منخفض يصل إلى 18 متر أوم. يمكن لخاصية المقاومة المنخفضة هذه تقليل خسائر التوصيل وتحقيق أداء حراري ممتاز.
يتم تعبئة هذه الأجهزة في السيراميك المعزول بقدرة عزل تبلغ 2500 فولت تيار متردد (دقيقة واحدة). يقلل هذا التصميم من المقاومة الحرارية للمشتت الحراري ويقلل من التداخل الكهرومغناطيسي (EMI) عن طريق تقليل السعة الشاردة للمشتت الحراري. وفي الوقت نفسه، فهي تعتمد الحزمة TO-247-3L المألوفة، مما يسهل التكامل.
IXSJ43N120R1 هو مثال نموذجي (الشكل 1). معرف تيار التصريف المستمر المقدر للجهاز عند +25 درجة مئوية هو 45 أمبير، وRDS (ON) هو 36 متر أوم (القيمة النموذجية). كما أنها تتمتع بشحنة بوابة منخفضة تبلغ 79 نانومتر وسعة إدخال تبلغ 2453 بكسل فاراد، مما يجعلها مناسبة للتصميمات ذات المغناطيسات الأصغر.
صورة Littelfuse IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET
الشكل 1: IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET يستخدم حزمة TO-247-3L معزولة، مع معرف تيار التصريف المستمر المقدر بـ 45 A وRDS (ON) بقيمة 36 متر أوم (القيمة النموذجية) عند +25 درجة مئوية. (مصدر الصورة: Littelfuse)
تعمل سلسلة IXSJxxN120R1 على تقليل خسائر التوصيل مع الحفاظ على قدرة حجب الجهد العالي، مما يتيح للمصممين تبسيط طوبولوجيا المحول، وتقليل الحمل الحراري، وزيادة كفاءة النظام بشكل عام.
تقليل خسائر التبديل في أداء الواجهة الأمامية النشط
في أجزاء أخرى من محطة الشحن السريع بالتيار المستمر، قد تكون خسائر التبديل أكثر أهمية من المقاومة. تقوم الواجهة الأمامية النشطة بتحويل طاقة التيار المتردد إلى طاقة تيار مستمر وتشكيل الشكل الموجي الحالي لتلبية متطلبات تصحيح عامل الطاقة (PFC) والتشوه التوافقي. ونظرًا للاعتماد على ترددات التحويل الأعلى في هذه المرحلة لتقليل حجم المحاثات والمرشحات، فإن خسائر التبديل تلعب دورًا مهمًا في الكفاءة الشاملة.
تم تحسين سلسلة LSIC1MO120E SiC MOSFET من Littelfuse لهذه التطبيقات عالية التردد. تجمع هذه الأجهزة بين قدرة حجب 1200 فولت وفقدان ديناميكي منخفض، مما يجعلها مناسبة للغاية لمحولات تعزيز PFC في محطات الشحن السريع التي تعمل بالتيار المستمر والأنظمة الأخرى المتصلة بالشبكة.
على سبيل المثال، تيار التصريف المستمر المقدر (II) لـ LSIC1MO120E0080 (الشكل 2) عند +25 درجة مئوية هو 39 A، R (DSON) هو 80 متر Ω (القيمة النموذجية)، وطاقة التبديل لكل دورة هي 252 μ J. نطاق درجة حرارة الوصلة الممتد من -55 درجة مئوية إلى +175 درجة مئوية، مما يوفر هامش تصميم إضافي للمنشآت الخارجية ذات الظروف البيئية الكبيرة.