Surmonter l'obstacle du rendement énergétique des alimentations électriques

28 avr. 2020

À mesure qu'augmente la demande en datacenters, en véhicules électriques (VE), en systèmes de stockage de l'énergie (ESS), en alimentations électriques ininterruptibles (UPS) ou portables, la demande en solutions de source d'alimentation plus efficaces augmente parallèlement.

Le programme ENERGY STAR®, soutenu par le gouvernement fédéral, est un moyen simple et fiable de mesurer le rendement énergétique d'un grand nombre de produits électriques, dont les ordinateurs, les équipements de datacenter, les appareillages électriques, le matériel de bureautique, les appareils de chauffage et de climatisation, ainsi que de nombreux produits installés dans les bâtiments. De nombreuses entreprises du classement Fortune 500 suivent les directives de l'Agence pour la protection de l'environnement (EPA) afin de créer des produits économes en énergie, l'objectif étant d'améliorer l'environnement et notamment la qualité de l'air. On estime que rien qu'en 2017, les produits certifiés ENERGY STAR ont permis d'économiser plus de 30 milliards de dollars.

En outre, le programme original 80 PLUS® a aidé les fabricants à parvenir à un rendement énergétique d'au moins 80 % pour leurs alimentations électriques d'ordinateurs. Que se passe-t-il lorsqu'une alimentation électrique présente un faible rendement ? L'énergie gaspillée se transforme en chaleur. Pour répondre aux exigences d'un nombre croissant de datacenters, 80 PLUS a créé la norme 80 PLUS Titanium, qui impose aux alimentations électriques un rendement allant jusqu'à 96 %. En raison de ses exigences strictes, 80 PLUS Titanium est également la certification la plus difficile à obtenir.

De nombreux fabricants d'alimentations électriques redoublent d'efforts pour répondre à ces exigences afin de rester compétitifs. L'obligation d'améliorer le rendement, de réduire les pertes de commutation et de créer des produits de petit format les oblige à surmonter un grand nombre de difficultés de conception.

Quels sont les compromis possibles et comment obtenir des résultats optimaux ?

Difficultés de conception

Pour concevoir une alimentation CA/CC économe en énergie dans la gamme des 400 V, les objectifs sont les suivants :

• Avoir une méthode claire pour répondre aux normes énergétiques
• Diminuer la taille des produits
• Abaisser les coûts globaux
• Parvenir à une gestion thermique efficace
• Réduire les EMI

Ces objectifs, bien que louables, sont difficiles à atteindre. Ils le sont encore plus lorsqu'il s'agit de normes énergétiques telles qu'ENERGY STAR et 80 PLUS Titanium.

Aucune alimentation électrique ne peut offrir un rendement de 100 %. À l'heure actuelle, la plupart des alimentations électriques de commutation peuvent atteindre 94 à 95 %, les 5 % restants étant perdus sous forme de chaleur. On a pu estimer qu'une augmentation de 1 % du rendement équivaut à une réduction de 10 % de la dissipation calorique. Autrement dit, pour être efficace, une alimentation électrique doit être capable d'utiliser des dissipateurs thermiques et des composants (bobines magnétiques, condensateurs, etc.) plus petits. Le résultat est une diminution de la taille globale des produits. Surtout, le coût total du système est également abaissé. Alors, comment les fabricants peuvent-ils surmonter l'obstacle du rendement énergétique ?

Surmonter l'obstacle du rendement énergétique

Wolfspeed a établi son leadership technologique dans le carbure de silicium 650 V avec l'introduction des diodes Schottky de 6e génération offrant les plus hauts niveaux d'efficacité des systèmes. La marque confirme ce leadership avec l'introduction des transistors MOSFET 650 V de 3e génération 15 mΩ et 60 mΩ (R_DS(on) à 25 °C), qui exploitent mieux les avantages du carbure de silicium pour réduire les pertes de conduction et de commutation et améliorer l'efficacité et la densité énergétique.

Les nouveaux dispositifs (C3M0015065D, C3M0015065K, C3M0060065D, C3M0060065J et C3M0060065K) autorisent un fonctionnement sur une large plage de températures allant de –40 °C à 175 °C, et sont proposés dans des modules traversants (TO-247-3, TO-247 -4) et montés en surface (TO-263-7).

Un paramètre essentiel à rechercher pour réduire les pertes est une faible résistance à l'état passant : plus la résistance est élevée, plus la perte de conduction et le gaspillage de puissance sous forme de chaleur sont importants. Les nouveaux transistors MOSFET de Wolfspeed offrent les plus faibles résistances à l'état passant du secteur dans un module discret sur l'intégralité de la plage de température de fonctionnement, avec les transistors MOSFET 60-mΩ spécifiés pour un RDS(on) de seulement 79 mΩ à 175 °C pour atteindre un rendement énergétique de 99 %.

La charge de récupération inverse (Qrr) très faible des dispositifs, avec le transistor MOSFET 60-mΩ offrant un Qrr de 62 nC, permet de réduire considérablement les pertes de commutation par rapport au silicium dans les applications à interrupteurs. Cela autorise des fréquences de commutation plus élevées qui réduiront la taille et le poids des transformateurs, des inductances, des condensateurs et des autres composants passifs du système.

Pour lutter contre le problème de capacités parasites qui augmentent également les pertes de commutation lorsque la fréquence de commutation augmente, Wolfspeed a obtenu des capacités de dispositif beaucoup plus faibles pour les appareils avec, par exemple, une capacité de sortie à petit signal C_oss de seulement 80 pF pour les modèles 60-mΩ et de 289 pF pour les modèles 15-mΩ.

Les effets domino

Précisément, comment la hausse de rendement offerte par les transistors MOSFET influe-t-elle sur la conception globale des systèmes et la nomenclature (BOM) des unités d'alimentation électrique (PSU) ?

• Une meilleure gestion thermique se traduit par des dissipateurs thermiques plus petits, ce qui réduit le poids et la taille des PSU
• Un nombre réduit de composants, par ailleurs plus petits, diminue le coût de la BOM des PSU
• Un meilleur rendement énergétique rend possible le respect des normes du secteur (ENERGY STAR et 80 PLUS Titanium) qui s'appliquent aux PSU
• Un moindre coût global des systèmes PSU permet d'atteindre plus facilement les objectifs de rentabilité

Comment la gamme de transistors MOSFET 650 V SiC Wolfspeed C3M se comporte-t-elle par rapport aux autres ?

Comparés aux MOSFET 650 V en silicium du secteur, les transistors de Wolfspeed permettent de diminuer jusqu'à 50 % les pertes de conduction et jusqu'à 75 % les pertes de commutation, tout en annulant quasiment la charge de récupération inverse de la diode.

Comparés aux HEMT GaN en silicium, ils diminuent de plus de 50 % les pertes de conduction. En outre, la fiabilité de la technologie MOSFET SiC a été davantage validée sur le terrain.

Enfin, comparées à d'autres solutions MOSFET SiC, celles de Wolfspeed affichent la plus faible résistance à l'état passant du secteur dans la catégorie des MOSFET SiC de 650 V avec la variation de résistance la plus faible par rapport à la température, ce qui simplifie encore la gestion thermique du système.

Prise en charge avec de nouveaux modèles de référence

Wolfspeed fournit un support étendu pour ses appareils avec de nouveaux modèles de référence, et les nouveaux MOSFET s'inscrivent dans cette tendance. Pour l'application d'alimentation des serveurs de datacenters évoquée ci-dessus, l'équipe mondiale d'ingénierie des applications de l'entreprise a créé un nouveau modèle de référence PFC 2,2 kW CA/CC qui utilise le transistor MOSFET C3M0060065K 60mΩ dans une topologie de mât totémique, configuration que des modèles à base de siliciums sont incapables de réaliser.