Les transistors MOSFET SiC 650 V redynamisent la conception des chargeurs de batterie

12 juin 2020

En passant aux transistors MOSFET SiC, les concepteurs de systèmes d'alimentation peuvent augmenter considérablement la densité de puissance, réduire les pertes de commutation et améliorer la gestion thermique dans les chargeurs embarqués pour véhicules électriques.

Les systèmes d'alimentation des véhicules électriques, les chargeurs de batterie internes et externes et les autres systèmes de stockage demandent un meilleur rendement énergétique afin de pouvoir contenir davantage de puissance dans des formats équivalents. Ici, les dispositifs à carbure de silicium (SiC) permettent d'optimiser les systèmes d'alimentation à la fois en termes d'augmentation de la densité de puissance, de réduction de la taille et du poids et de respect des nouvelles normes de rendement énergétique.

Les circuits actuels classiques à correction de facteur de puissance ne peuvent pas atteindre le rendement requis avec des solutions à base de silicium sans devoir ajouter d'autres composants et accroître la complexité de la conception. En revanche, l'adoption des transistors MOSFET SiC permet aux concepteurs des systèmes d'alimentation d'atteindre et même dépasser les exigences de rendement énergétique les plus strictes.

Les transistors MOSFET SiC 650 V à faible résistance à l'état passant offrent moins de pertes par conduction, et par elles-mêmes, les propriétés du carbure de silicium réduisent les variations de température à l'état passant afin de conserver un rendement élevé à pleine charge. Ils jouent également un rôle crucial dans la gestion des charges fortes ou faibles au niveau des transformateurs c.c./c.c., de qui permet de réduire significativement la consommation énergétique globale.

Cela se traduit par un moindre effort de gestion thermique ce qui, en retour, induit l'utilisation de dissipateurs thermiques plus petits et plus économiques et l'emploi d'un moins grand nombre d'éléments de refroidissement moins coûteux. Une meilleure gestion thermique implique aussi l'utilisation d'un moins grand nombre de composants de support, d'où le moindre risque de défaillance d'un élément.

Comparaison de nomenclatures système qui révèle 15 % d'économie avec les transistors MOSFET SiC

Flux de puissance bidirectionnel dans les chargeurs embarqués pour véhicules électriques

Les véhicules électriques ont davantage besoin de chargeurs embarqués que de chargeurs rapides. Plus de la moitié (51 %) des chargements ont lieu au domicile, et 16 % ont lieu en branchant les véhicules électriques sur le lieu de travail. Toutefois, les transistors MOSFET à base de silicium conçus pour les chargeurs embarqués présentent moins de pertes par kilowatt, ce qui signifie que leurs utilisateurs obtiennent plus en dépensant moins.

Le chargeur embarqué pour systèmes de batteries de véhicule électrique est un autre cas d'utilisation des transistors MOSFET SiC 650 V qui se démarque de la concurrence. Il permet aux concepteurs d'augmenter le rendement tout en prenant en charge le flux bidirectionnel sans devoir faire aucun compromis sur le poids, la taille et la complexité. Cela permet de réduire notablement le poids et les dimensions des chargeurs embarqués qui convertissent le courant c.a. du secteur en courant c.c. pour la batterie, le tout à l'intérieur même du véhicule.

Contrairement aux chargeurs embarqués unidirectionnels, qui sont inactifs à l'intérieur du véhicule sans perdre de charge, les chargeurs bidirectionnels ne se contentent pas de prendre de l'électricité sur le réseau, ils peuvent en réinjecter également. Cette bidirectionnalité offre à l'utilisateur final la possibilité d'alimenter d'autres appareils en courant alternatif ou de redémarrer un autre véhicule électrique qui se trouve déchargé.

Conception de chargeur embarqué basée sur le circuit à correction de facteur de puissance à pôle totémique et transistors MOSFET SiC 650 V, et transformateur c.c./c.c. dans un seul boîtier pour gagner de la place dans les véhicules électriques

Les transistors MOSFET de 650 V respectent les exigences de contrainte de tension imposées par es conceptions de véhicule électrique.

Baisse du coût du système grâce au SiC

Les transistors

MOSFET SiC 650 V de Wolfspeed ne sont pas seulement conçus pour les chargeurs embarqués des véhicules électriques. Ils peuvent également alimenter les systèmes qui requièrent une forte densité de puissance et un grand rendement énergétique, tels que les alimentations électriques des télécommunications, les alimentations électriques ininterruptibles (UPS) ou les systèmes de stockage d'énergie, entre autres. Par exemple, les transistors MOSFET de 15 mΩ et 60 mΩ, compatibles avec les chargeurs embarqués unidirectionnels et bidirectionnels, permettent de réduire simultanément la taille du circuit à correction de facteur de puissance c.a./c.c. et du transformateur c.c./c.c. relié à la batterie. D'après Goldman Sachs, les dispositifs SiC peuvent faire baisser le coût de fabrication et le coût de possession des véhicules électriques de 2 000 dollars US par unité. Les transistors MOSFET SiC 650 V utilisés dans le modèle de référence de chargeur embarqué bidirectionnel de 6,6 kW permettent d'atteindre un rendement maximal de 96,5 %, aussi bien en chargement qu'en déchargement. Le modèle de référence, construit avec des transistors MOSFET C3M0060065D de Wolfspeed, fonctionne à 90 V c.a. à 265 V c.a. et est compatible avec des tensions de batterie entre 250 et 450 V.

Schéma du modèle de référence de chargeur embarqué de 6,6 kW à base de transistors MOSFET SiC C3M0060065D

Les transistors MOSFET SiC de troisième génération de Wolfspeed (reposant sur la technologie C3M de troisième génération de la société) offrent la plus faible résistance à l'état passant et les plus faibles pertes par conduction et par commutation de tout le secteur. Dans le cas du modèle de chargeur embarqué de 6,6 kW, les transistors MOSFET SiC 650 V peuvent faire diminuer les coûts du système de 15 %, même si les composants SiC coûtent plus chers que leurs équivalents à base de silicium.

De plus, dans ce modèle de 6,6 kW, la solution SiC offre une densité de puissance de 3,3 kW/L et un rendement de 97 %, à comparer avec la densité de puissance de 2,1 kW/L et le rendement de 94 % qu'offre une solution à base de silicium. Non seulement le coût total du système est diminué, mais il est également plus petit et plus léger grâce à sa densité de puissance plus élevée.

Optimisation des conceptions d'alimentation dans leur ensemble

Le gain de rendement offert par les transistors MOSFET SiC 650 V a des répercussions sur toute la conception des systèmes d'alimentation. La plus grande vitesse de commutation et le meilleur taux de transformation à l'entrée du chargeur embarqué facilitent le respect des spécifications dans le reste du système d'alimentation.

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