Módulos de potencia de carburo de silicio maximizan la eficiencia del frente activo.

Mientras los ingenieros que diseñan UPS tienen mucho cuidado para garantizar un funcionamiento continuo de los centros de datos empresariales las 24 horas del día, los 7 días de la semana, también son conscientes de que las fuentes de alimentación consumirán 90 TWh de electricidad cada año en los Estados Unidos, lo suficiente como para mantener 30 plantas de carbón grandes y contaminantes. Y en otro campo de diseño, los ingenieros de energía trabajan para garantizar que los cargadores rápidos puedan recargar rápidamente los vehículos eléctricos, con una mayor conciencia sobre el costo de la electricidad y el impacto ambiental de su generación.

Los ingenieros que se centran en cualquier área de aplicación comparten preocupaciones sobre la eficiencia, la densidad de potencia y el costo. Y, aunque aún no hayan diseñado con ella, son conscientes de que la solución puede estar en la tecnología de Carburo de Silicio (SiC). En este documento de los expertos de Wolfspeed, estas preocupaciones se abordan mediante una comparación lado a lado que demuestra que el Carburo de Silicio (SiC) es, con diferencia, la mejor opción en comparación con los dispositivos basados en silicio (Si) para aplicaciones de alta potencia. La demostración utiliza una parte esencial de los sistemas UPS y cargadores, el frontend activo (AFE), para explorar mejoras en tamaño y densidad de potencia, pérdidas de potencia y eficiencia, y los costos de la lista de materiales (BOM). Por lo tanto, el documento tiene como objetivo transformar esa conciencia general sobre los beneficios de SiC en una comprensión más clara, despejando el camino a través de una tecnología menos eficiente arraigada hacia una mayor experiencia en diseño basado en SiC.

El gran desafío

El desafío en el diseño de AFE puede expresarse ampliamente como una lista de deseos de cambios que un ingeniero querría:

Cualquier tecnología que resuelva todos estos desafíos, simultáneamente, puede tener un impacto significativo tanto en la competitividad del producto como en el medio ambiente.

¿Por qué carburo de silicio?

El Carburo de Silicio permite a los ingenieros verificar los elementos de la lista anterior gracias a las propiedades del material y del dispositivo resultante.   En comparación con la tecnología tradicional de Si, los dispositivos SiC ofrecen una caída de voltaje en estado activo 2-3X menor que Si, lo que reduce las pérdidas de conducción en los interruptores SiC. Dado que los dispositivos SiC son portadores mayoritarios, ofrecen tasas de borde mucho más altas (di/dt) que las posibles con Si. Su campo de ruptura 10X mayor que el de Si permite que los dispositivos SiC soporten voltajes más altos en el mismo paquete.   Una conductividad térmica más alta de 3.3-4.5 W/cmK frente a los 1.5 W/cmK de Si permite que los dispositivos SiC conduzcan el calor mucho más rápido, ayudando a reducir los requisitos de enfriamiento en el sistema. Además, las temperaturas de los chips SiC pueden alcanzar los 250-300°C (frente a los 125°C de Si) y las temperaturas de unión en los dispositivos de Wolfspeed pueden llegar hasta los 175°C antes de afectar la fiabilidad. Esto significa que los dispositivos pueden operar más calientes y con un sistema de enfriamiento más pequeño.   Los módulos de energía SiC de Wolfspeed ofrecen las siguientes ventajas sobre las versiones de Si:

Ventajas de aplicación de la topología AFE

El AFE es aplicable a casi todos los convertidores conectados a la red. Dos topologías prominentes en los mercados emergentes actuales se muestran en Figura 1. La arquitectura UPS de doble conversión comprende un AFE o rectificador, un convertidor DC/DC y un inversor. En el flujo de energía normal, una pequeña corriente entra al convertidor DC/DC que mantiene la carga de la batería. La mayor parte de la energía se envía a través del enlace DC hacia el inversor, donde alimenta la carga. En caso de una falla de energía, el AFE deja de conmutar y el convertidor DC/DC envía energía desde la batería al inversor para alimentar la carga. Algunas aplicaciones pueden usar la batería también para compensar una mala calidad de energía del lado de la carga o de la red.

En el cargador rápido de CC fuera de bordo también, el AFE conecta el convertidor a la red eléctrica. Rectifica el voltaje de la red en un voltaje de enlace de CC estable, que luego puede usarse para cargar las baterías. La topología del cargador fuera de bordo es más sencilla con el AFE interfaciándose directamente solo con el convertidor DC-DC para cargar rápidamente el vehículo eléctrico. En ambas aplicaciones, el AFE utiliza tres módulos de potencia de medio puente, uno para cada fase.

Definición del problema y objetivos de diseño

Un problema clave con los AFEs basados en IGBT es que son grandes e ineficientes. Tienen altas pérdidas de conmutación y, debido a que también son fuentes de calor significativas, los ingenieros tienen la opción de usar sistemas de enfriamiento voluminosos o aceptar una disminución en el rendimiento para reducir el calor generado. Pero, aunque las demandas varían ligeramente, todos los clientes desean pagar por un sistema de alta eficiencia, no por un calentador.   Por lo tanto, los objetivos de diseño del AFE pueden definirse como:

Con esto en mente, se diseñaron variantes IGBT y SiC de un sistema AFE para generar 200 kW de potencia rectificada de alta calidad con un bus de corriente continua bien regulado.

Diseños basados en IGBT frente a SiC

Los sistemas basados en IGBT y SiC se presentan ampliamente antes de profundizar en una comparación lado a lado de los tamaños de los componentes y las pérdidas.   Los diseños de alta potencia basados en silicio, como el ejemplo de AFE, suelen utilizar IGBTs. En la Figura 2 se muestra el diagrama del circuito con el módulo de potencia y sus requisitos físicos de enfriamiento. Para utilizar un componente de primera clase, se eligió un módulo entre los módulos IGBT dominantes que se presentan actualmente en el paquete EconoDUAL®. La topología requiere tres de estos módulos de potencia: cada cuadro rojo mostrado en la figura incluye un único módulo de potencia, un disipador de calor y dos ventiladores.

El sistema podría optimizarse para cambiar a una frecuencia tan alta como 8 kHz mientras requiere un inductor de 100 µH. Para una temperatura ambiente de 40°C, la temperatura de unión del IGBT (Tj) alcanza 130°C y la temperatura de unión del chip del diodo separado alcanza 140°C. Esto requirió un disipador de calor grande y dos ventiladores por módulo incluso después de limitar la frecuencia de conmutación a 8 kHz.

El sistema basado en SiC utilizó un módulo de potencia Wolfspeed XM3, el XAB400M12XM3. El sistema puede conmutar a una frecuencia mucho más alta de 25 kHz y utiliza un inductor de 30 µH. Para la misma temperatura ambiente de 40 °C, la temperatura de la unión del MOSFET alcanza los 164 °C. Nuevamente, cada cuadro rojo mostrado en Figura 3 comprende el módulo y sus requisitos de enfriamiento mucho más bajos.

Comparación de módulos de potencia

La plataforma de módulos de potencia XM3 de Wolfspeed ocupa un 60% menos de volumen y un 55% menos de área que un módulo de 62 mm con clasificación equivalente. En comparación con un módulo EconoDUAL® IGBT con clasificación similar, la reducción en tamaño, volumen y peso es significativamente mayor.

Las características clave de la plataforma XM3 incluyen:

En el AFE bajo consideración, Tabla 1 compara las pérdidas del módulo de potencia IGBT con el CAB400M12XM3.

Tabla 1:  La comparación de pérdidas demuestra una reducción del 40% por módulo en las pérdidas con SiC en comparación con IGBT.

Como se muestra en la Tabla 1, el uso de la tecnología Wolfpseed SiC ayuda a superar el primer desafío de diseño general al reducir las pérdidas totales de conmutación y conducción, lo que permite abordar los desafíos generales restantes. Cabe destacar que el diodo interno del MOSFET de Wolfspeed SiC tiene una carga de recuperación inversa (Qrr) que es menos del 1% de la del Si. En un intento por mitigar algo este problema, los módulos IGBT incluyen un diodo separado que contribuye por separado y adicionalmente a las pérdidas.

Sistema de enfriamiento más pequeño y ligero

La alta temperatura de unión del MOSFET permitida por la tecnología SiC de Wolfspeed y las bajas pérdidas del XM3 tienen un efecto inmediato en los requerimientos de refrigeración.   Con una pérdida por módulo de 1.11 kW, cada EconoDUAL® necesita ser montado en un gran disipador de calor con un ventilador de empuje y otro de extracción para lograr un flujo de aire suficiente que permita eficiencia en la refrigeración. El volumen del sistema de refrigeración es de 6.4 L/módulo.   Dadas las pérdidas un 40% menores, el XM3 necesita un disipador de calor más pequeño y solo un ventilador para lograr el mismo resultado (@40°C). El volumen del sistema de refrigeración es de solo 3.7 L.   Esta reducción del 42% en el volumen del sistema de refrigeración viene acompañada de otra ventaja más: una reducción del 70% en el costo de la solución térmica del sistema AFE.

El impacto en los pasivos

Al permitir un aumento en la frecuencia de conmutación por un factor de tres, de 8 kHz a 25 kHz, el AFE basado en SiC necesita componentes pasivos más pequeños (Figura 6).

Como se mencionó anteriormente, la inductancia requerida también puede reducirse por un factor de tres, desde los 100 µH del diseño de IGBT hasta 30 µH. La reducción resultante en el tamaño físico es de aproximadamente 37%. Además, las pérdidas I2R en el inductor también se reducen en cerca de un 20%.   Para los niveles de potencia requeridos por el ejemplo de AFE, el costo de los componentes magnéticos, incluidos el núcleo y los devanados de cobre, es menor en el diseño XM3 en un 75% con respecto al AFE basado en IGBT.   El efecto sobre la capacitancia necesaria del enlace DC es similar debido al aumento en la frecuencia de conmutación. Mientras que para la variante de IGBT se requieren 1800 µF, el diseño basado en SiC MOSFET solo necesita una capacitancia de 550 µF. La comparación lado a lado en la Figura 6 ilustra la reducción en el volumen de la capacitancia necesaria en un 54%.

Comparación a nivel de sistema AFE

A nivel del sistema, el aumento de 3X en la conmutación habilitada por SiC se traduce en una mejora de 3X en el ancho de banda de control, lo que a su vez significa un tiempo de respuesta más rápido ante condiciones dinámicas. La reducción de la demanda sobre los componentes pasivos, incluido el sistema de refrigeración, resulta en una reducción del 37% en los costos de la lista de materiales (BOM) para esos componentes ensamblados.   El AFE basado en SiC también tiene un 40% menos de pérdidas que el sistema basado en IGBT. Para un sistema que funciona continuamente —24 horas al día, 7 días a la semana— esto lleva a un ahorro energético anual de 26 MWh. Más allá de las credenciales ecológicas, a un costo de $0.10/kWh, SiC puede reducir el costo operacional anual en $2,591.   Más allá del rendimiento, los costos pasivos de la lista de materiales (BOM) y los costos operativos, el sistema basado en SiC es mucho más pequeño en tamaño y peso. Efectúa una reducción del volumen del sistema del 42% en comparación con la versión IGBT (Figura 7).

Conclusión

Una comparación lado a lado de los módulos de potencia IGBT EconoDUAL® y Wolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFET, ambos de clase líder en sistemas AFE de clasificación similar, revela que la tecnología SiC hace realidad la lista de deseos mencionada de los diseñadores. La plataforma XM3 de Wolfspeed ayuda a aumentar significativamente la eficiencia en todo el sistema, mejorar la respuesta y el rendimiento general del sistema, reducir el volumen total del sistema para lograr una densidad de potencia mucho mayor y mejorar la competitividad al reducir los costos generales del BOM pasivo.