Desde hace mucho tiempo se utilizan dispositivos de potencia de carburo de silicio (SiC) en varias aplicaciones, entre las cuales se encuentra el suministro de energía, los sistemas de almacenamiento de energía y los inversores de potencia de paneles solares. Recientemente, el cambio a la propulsión eléctrica en la industria automotora ha supuesto un aumento del uso del SiC, además de aumentar la atención de los ingenieros de diseño hacia los beneficios de la tecnología en áreas de aplicación más amplias.
Selección de la tecnología de un dispositivo
Sin importar la aplicación, el punto de partida de todos los diseños de suministro de energía implica responder las mismas preguntas básicas: ¿qué es la tensión de entrada, la tensión de salida y la corriente de salida? A continuación, los diseñadores deben considerar los criterios de rendimiento que intentan habilitar en el producto final. En la actualidad, existen bastantes tecnologías a disposición del diseñador del suministro de energía que le permiten satisfacer estos criterios, entre los que se encuentra el nitruro de galio (GaN), SiC y una gama de tecnologías con base en silicio (Si), como MOSFET, transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y dispositivos de superunión (Figura 1).
Figura 1: todas estas tecnologías poseen fortalezas y áreas de aplicación en las que se desempeñan de mejor forma.
El silicio suele ser una buena opción cuando el valor nominal de la tensión de ruptura es menor que 400 V y el diseño exige una frecuencia de operación relativamente baja, a menos de un kilovatio. El GaN es una excelente opción cuando para la fabricación de una aplicación compacta, como un cargador USB, que requiere de una frecuencia de conmutación alta para disminuir el tamaño de los componentes magnéticos. Cuando los niveles de potencia superan un kilovatio y el valor nominal de la tensión es mayor que 600 V y hasta de 1700 V en frecuencias bajas, se pueden considerar lo IGBT junto con el SiC. Sin embargo, en el caso de una frecuencia de conmutación mayor o una densidad de potencia más alta, la mejor opción es el SiC.
Punto central de la decisión
En la Figura 1, las tensiones y frecuencias de conmutación moderadamente altas marcan el punto central de muchas decisiones. Sin embargo, la alta eficiencia que ofrece el SiC lo convierte en una opción atractiva, ya que la comparación del costo de la lista de materiales con el costo operacional puede constituir un factor decisivo.
La resistencia excepcionalmente baja de los dispositivos SiC de Wolfspeed implica menores pérdidas de conducción y mayor eficiencia. A este respecto y en comparación con el silicio y el GaN (Figura 2), el rendimiento del SiC es mejor que cualquier tecnologías en todas las aplicaciones. Las propiedades del material en sí permiten un cambio bajo de la resistencia activa en función de la temperatura, mientras que en el caso de RDS(ON) de GaN y el silicio aumentan 2,5 veces o más en comparación con la tasa a temperatura ambiente.
Figura 2: los dispositivos SiC de Wolfspeed mantienen un RDS(ON) sin cambios en un rango de temperatura amplio.
Habilitación de evolución de PFC
Figura 3: la evolución del rectificador del puente completo, desde simple y sin PFC hasta PFC básico y sin puente
En la actualidad, la mayoría de los suministros de energía de modo conmutado utilizan convertidores elevadores después del puente de diodos como PFC activo que conmuta varias órdenes de magnitud sobre la frecuencia de línea, de modo que se puedan utilizar inductores y capacitores más pequeños. El reemplazo de un diodo basado en silicio con un diodo de SiC en la etapa PFC activa puede aumentar la eficiencia en dos a tres puntos porcentuales, lo que depende de la aplicación.
Por otra parte, aumentar la frecuencia de conmutación de 80 kHz a 200 kHz puede disminuir el factor de forma o aumentar la densidad de potencia hasta en un 60 %. En general, aumentar la frecuencia de conmutación permite disminuir el tamaño del inductor y, por lo tanto, también las pérdidas de cobre en el inductor.
Sin embargo, cuando se pasa de 200 kHz a 400 kHz, se observa una nivelación de las pérdidas de cobre, a la vez que las pérdidas del núcleo del inductor siguen aumentando. El resultado son rendimientos decrecientes, en los cuales una reducción del tamaño del 10 % al 15 % se produce en conjunto con un aumento del 10 % al 15 % en la pérdida de potencia. Esto puede constituir un intercambio aceptable para las aplicaciones en las que lo primordial es la reducción del tamaño.
Para elevar los niveles de eficiencia a más de 90, es necesario volver a trazar el circuito en una forma que elimine el puente de diodos. Una forma de lograrlo durante la implementación del elevador es trasladar el inductor a la entrada de CA e intercambiar los dos diodos inferiores del puente con dos MOSFET. El conmutador de la izquierda eleva la tensión del medio ciclo positivo, mientras que el de la derecha aumenta el negativo.
El desafío del circuito básico sin puente es que el nodo del conmutador de alta frecuencia está conectado directamente con la entrada de CA y la conexión a tierra CC flota en relación con la entrada de CA. El resultado puede ser que cualquier capacitancia parásita pase directo al EMI de modo común. Una forma común de solucionarlo es utilizar un elevador doble o una implementación de medio puente (Figura 4, izquierda).
En esta topología, los dos diodos del extremo inferior izquierdo eliminan el problema de la conexión a tierra flotante y la división del inductor elimina la conexión directa del nodo de conmutación con la fuente de CA, a fin de ocuparse del problema de EMI de modo común. Aunque se pueden utilizar MOSFET de silicio, estos proporcionan una eficiencia máxima de 95 % a 96 %, una huella mayor, dos inductores y un costo de lista de materiales posiblemente mayor.
Figura 4: comparación de la solución de medio puente de elevador doble (izquierda) con la evolución de puente completo de la topología totem-pole (derecha) que hace posible el SiC
Topología de totem-pole
Una alternativa a la configuración de medio puente de elevador doble es la topología de totem-pole, que recibe su nombre de la forma en que los transistores se apilan uno encima del otro (Figura 4, arriba). El totem-pole se puede construir como una versión de puente completo, como se muestra, o una versión sin puente con los MOSFET en la placa de baja frecuencia de la derecha reemplazados por diodos.
El gran desafío de las topologías de totem-pole es la carga de recuperación inversa del diodo de cuerpo del MOSFET si el convertidor funciona en una condición de modo de conducción continua (CCM). Durante la transición de los conmutadores de lado bajo a los de lado alto, ambos FET no pueden estar activados al mismo tiempo y los diodos de cuerpo se deben encargar de la conducción durante este tiempo muerto. Las características de recuperación inversa del silicio eliminan la eficiencia (Figura 5).
Figura 5: comparación de SiC con la recuperación inversa del diodo de cuerpo de Si
En todos los diseños de suministro de energía con conmutador fijo, se producen pérdidas de recuperación inversa cuando el diodo de cuerpo debe encargarse de la conducción. Con el SiC, que no tiene portadores minoritarios, la corriente de recuperación inversa es casi inexistente. Por otra parte, el MOSFET de silicio sufre de pérdidas varios órdenes de magnitud mayores. Por esta razón no se puede utilizar silicio en el totem-pole.
En el caso de las aplicaciones de potencia de RF que requieren velocidad de conmutación de gigahertz a tensiones menores que 50 V y potencia menor que 50 W, la tecnología preferida es GaN en SiC. A mayores tensiones, el GaN se vuelve prohibitivamente costoso.
¿Puente completo o totem-pole híbrido?
La versión completamente síncrona del totem-pole constituye la implementación más eficiente. A pesar de que puede utilizar MOSFET en la placa de baja frecuencia, solo la implementación completa de cuatro MOSFET de SiC hace posible la bidireccionalidad, por ejemplo, en aplicaciones que se conectan con redes inteligentes, lo que implica algunas desventajas en cuanto a la complejidad y el costo de lista de materiales.
Figura 6: etapa de potencia PFC de un totem-pole “híbrido”
La mayoría de las aplicaciones sensibles al costo, lo que incluye los suministros de energía de servidor, utilizan una topología de totem-pole sin puente o "híbrida", mediante el uso de diodos PIN económicos en la placa de baja frecuencia (Figura 6). Tiene la ventaja de utilizar la menor cantidad de componentes y, con la introducción de los MOSFET C3M SiC de Wolfspeed en la clase de 650 V, constituye una implementación económica, con menos de un 0.5 % de disminución en la eficiencia de carga ligera en comparación con un puente completo.
El diseño de referencia de CRD-02AD065N 2.2-kW de Wolfspeed (disponible para descarga como un paquete que incluye lista de materiales, esquemas, disposición esquemática, presentación y nota sobre la aplicación) ya comprobó lo anterior. Utiliza los nuevos MOSFET 650 V 60 mΩ para alcanzar el estándar industrial 80+ Titanium con más de 98,5 % de eficiencia y THD.
Los diseños totem-pole basados en SiC, como este, superan por mucho el requisito de 80+ Titanium en todas las condiciones de carga, lo que les permite a los ingenieros relajar las restricciones de diseño en la sección del convertidor CC a CC.
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