Les dispositifs d'alimentation en carbure de silicium (SiC) sont utilisés depuis longtemps dans une large gamme d'applications, notamment les alimentations électriques de serveurs, les systèmes de stockage de l'énergie et les onduleurs de puissance des panneaux solaires. La transition de l'industrie automobile vers les moteurs électriques a récemment stimulé l'utilisation du SiC et renouvelé l'attention des ingénieurs de conception sur les avantages de cette technologie dans des domaines d'application plus larges.
Choisir une technologie pour les appareils
Quelle que soit l'application, la conception d'une alimentation électrique commence par des réponses aux mêmes questions fondamentales : quelle tension d'entrée, quelle tension de sortie et quel courant de sortie ? Ensuite, les concepteurs réfléchissent aux critères de performances qu'ils tentent de faire atteindre à leur produit final. Il existe aujourd'hui un certain nombre de technologies à la disposition des concepteurs d'alimentations électriques capables de satisfaire ces critères, notamment le nitrure de gallium (GaN), le SiC, les diverses technologies à base de silicium (Si) comme les MOSFET, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et les dispositifs à superjonction (SJ) (Figure 1).
Figure 1 : Ces technologies ont toutes leurs avantages, ainsi que des domaines d'application auxquels elles s'adaptent le mieux.
Lorsque la tension nominale de claquage se situe en dessous de 400 V et que la conception exige un fonctionnement à des fréquences relativement basses pour moins d'un kilowatt, le silicium est souvent une bonne solution. S'il s'agit de créer une application compacte, comme un chargeur USB, qui nécessite une fréquence de commutation élevée pour réduire la taille des éléments magnétiques, le GaN est un excellent choix. Pour des niveaux de puissance supérieurs à un kilowatt et des tensions nominales au-delà de 600 V jusqu'à environ 1 700 V pour de basses fréquences, les IGBT peuvent être envisagés, ainsi que le SiC. Pour des fréquences de commutation ou des densités de puissance supérieures, toutefois, le SiC est la meilleure solution.
Le centre d'un large choix
Sur la figure 1, les tensions et les fréquences de commutation modérément élevées se trouvent au centre d'un large choix. Pourtant, la grande efficacité du SiC en fait une option extrêmement séduisante, d'autant que le coût de la nomenclature par rapport au coût d'exploitation peut s'avérer un facteur décisif.
La faible résistance à la mise en marche des dispositifs SiC de Wolfspeed se traduit par de faibles pertes de conduction et une efficacité renforcée. À cet égard, comparé au silicium et au GaN (Figure 2), le SiC surpasse toutes les technologies dans la totalité des applications. Les propriétés du matériau lui-même font que la résistance à la mise en marche évolue peu avec la température, tandis que le RDS(ON) du GaN et du silicium est multiplié par 2,5, voire davantage, par rapport aux mesures à température ambiante.
Figure 2 : Les dispositifs SiC de Wolfspeed conservent un RDS(ON) faible qui reste constant sur une large plage de températures.
Ouvrir la voie à l'évolution des PFC
Figure 3 : l'évolution du rectificateur de pont complet, depuis un dispositif simple sans PFC jusqu'à un PFC élémentaire sans pont
Dans la plupart des alimentations électriques en mode commutation d'aujourd'hui, le convertisseur élévateur de tension est utilisé après le pont à diode en tant que PFC actif qui commute à plusieurs ordres de grandeur au-dessus de la fréquence de ligne, ce qui permet d'utiliser des inducteurs et des condensateurs plus petits. Selon l'application, le remplacement d'une diode en silicium par une diode en SiC sur l'étage PFC actif peut augmenter l'efficacité de 2 à 3 %.
D'un autre côté, l'élévation de la fréquence de commutation de 80 kHz à 200 kHz peut permettre de réduire le facteur forme ou d'augmenter la densité de puissance jusqu'à 60 %. En général, l'augmentation de la fréquence de commutation aide à réduire la taille de l'inducteur et par conséquent à diminuer également les pertes au niveau du cuivre dans cet inducteur.
Lors du passage de 200 kHz à 400 kHz, toutefois, on constate un nivellement des pertes dans le cuivre alors que les pertes au niveau du cœur de l'inducteur continuent à augmenter. Le résultat est une diminution du rendement, avec une réduction de 10 % à 15 % de la taille qui s'accompagne d'une augmentation de 10 % à 15 % des pertes de puissance. Cela peut représenter un compromis acceptable pour les applications dans laquelle la miniaturisation est un impératif.
Pour atteindre des niveaux d'efficacité au-delà de 90, il faut redessiner le circuit de façon à supprimer le pont à diodes. L'une des façons d'y parvenir pour élever la puissance consiste à déplacer l'inducteur vers l'entrée CA et à échanger les deux diodes du bas du pont contre deux MOSFET. Le commutateur de gauche relève la tension sur le demi-cycle positif, tandis que celui de droite la relève sur le demi-cycle négatif.
La difficulté avec le circuit élémentaire sans pont est que le nœud de commutation hautes fréquences est directement connecté à l'entrée CA et que la terre CC est flottante par rapport à l'entrée CA. Cela peut avoir pour effet de transformer directement les éventuelles capacités parasites en interférences électromagnétiques en mode commun. Il est souvent possible de contourner ce problème en utilisant une configuration à double élévation ou semi-sans pont (Figure 4, gauche).
Dans cette topologie, les deux diodes du bas à gauche éliminent les problèmes de terre flottante et la division de l'inducteur supprime la connexion directe du nœud de commutation à la source CA afin de régler le problème des EMI en mode commun. Bien qu'il soit possible d'utiliser des MOSFET en silicium, cela a pour résultat une efficacité maximale de 95 à 96 % et se traduit par un plus large encombrement, deux inducteurs et un coût total de nomenclature potentiellement plus élevé.
Figure 4 : Comparaison entre la solution à deux élévateurs et semi-sans pont (gauche) et l'évolution d'un pont complet vers la topologie en mât totémique (droite) rendue possible par le SiC
Topologie en mât totémique
Une alternative à la configuration semi-sans pont avec double élévation est la topologie en mât totémique, qui tire son nom de la façon dont les transistors sont empilés les uns sur les autres (Figure 4, ci-dessus). Le mât totémique peut être construit sous forme de version à pont complet, comme sur l'illustration, ou de version sans pont avec les MOSFET de la partie basses fréquences, à droite, remplacés par des diodes.
La grande difficulté avec les topologies en mât totémique est la charge de récupération inverse de la diode du corps du MOSFET si le convertisseur fonctionne en mode de conduction continue (CCM). Lors de la transition depuis les commutateurs du côté bas vers ceux du côté haut, les deux FET ne peuvent pas être activés au même moment et les diodes du corps doivent se charger de la conduction pendant ce temps mort. Les caractéristiques de récupération inverse du silicium annulent l'efficacité (Figure 5).
Figure 5 : Comparaison de la récupération inverse corps-diode SiC/Si
Dans toutes les conceptions d'alimentation électrique à commutation dure, lorsque la diode du corps doit se charger de la conduction, il y a des pertes de récupération inverse. Avec le SiC, qui n'a pas de porteurs minoritaires, il n'y a quasiment pas de courant de récupération inverse. Le MOSFET en silicium, au contraire, souffre de pertes plus élevées de plusieurs ordres de grandeur. C'est ce qui rend le silicium inutilisable dans un mât totémique.
Pour les applications d'alimentation RF qui nécessitent des vitesses de commutation de l'ordre du gigahertz à des tensions < 50 v et="" une="" puissance="">< 50 w, le="" gan-on-sic="" est="" la="" technologie="" qui="" s'impose.="" à="" des="" tensions="" plus="" élevées,="" le="" coût="" du="" gan="" devient="" prohibitif.="">
Pont complet ou mât totémique hybride ?
La configuration la plus efficace est la version entièrement synchronisée du mât totémique. Bien qu'elle puisse utiliser des MOSFET en silicium dans la partie des basses fréquences, seule la configuration à quatre MOSFET en SiC permet la bidirectionnalité (par exemple, dans des applications qui se connectent à une grille intelligente, avec quelques compromis en termes de complexité et de coût de la nomenclature).
Figure 6 : Un étage de puissance PFC à mât totémique « hybride »
La plupart des applications présentant une contrainte de coût, notamment les alimentations électriques pour serveurs, utilisent une topologie sans pont ou à mât totémique « hybride » utilisant des diodes PIN bon marché sur leur partie basses fréquences (Figure 6). Cela présente l'avantage d'utiliser le plus petit nombre possible de composants et, avec l'introduction des MOSFET SiC C3M de Wolfspeed dans la classe 650-V, de constituer une configuration économique, avec une diminution de moins de 0,5 % de l'efficacité à faible charge par rapport à un pont complet.
C'est ce qu'a déjà prouvé le nouveau modèle de référence CRD-02AD065N 2,2-kW de Wolfspeed, disponible en téléchargement sous la forme d'un package comprenant la nomenclature, les schémas, la configuration de la carte, la présentation et une note d'application. Il utilise les nouveaux MOSFET 650-V 60-mΩ pour se conformer à la norme industrielle 80+ Titanium avec une efficacité supérieure à 98,5 % et un excellent niveau de THD.
Les conceptions de mât totémique en SiC comme celle-ci excèdent nettement les exigences de la norme 80+ Titanium dans toutes les conditions de charge, ce qui permet aux ingénieurs d'assouplir les contraintes de conception sur la section du convertisseur CC/CC.
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