Les modules de puissance en carbure de silicium maximisent l'efficacité de l'entrée active.

Alors que les ingénieurs concevant des onduleurs prennent grand soin de garantir le fonctionnement fluide des centres de données d'entreprise 24h/24 et 7j/7, ils sont également conscients que les alimentations engloutiront 90 TWh d'électricité américaine chaque année — suffisamment pour alimenter 30 grandes et nocives centrales au charbon. Et dans un autre camp de conception, les ingénieurs en énergie travaillent pour garantir que les chargeurs rapides puissent recharger rapidement les véhicules électriques, en gardant à l'esprit le coût de l'électricité et l'impact environnemental de sa production.

Les ingénieurs ciblant n'importe quel domaine d'application partagent leurs préoccupations concernant l'efficacité, la densité de puissance et le coût. Et même s'ils n'ont pas encore conçu avec, ils sont conscients que la solution peut résider dans la technologie Carbure de Silicium (SiC). Dans ce document des experts de Wolfspeed, ces préoccupations sont abordées avec une comparaison côte à côte pour démontrer que le Carbure de Silicium (SiC) est de loin le meilleur choix par rapport aux dispositifs à base de silicium (Si) pour les applications à haute puissance. La démonstration utilise une partie essentielle des systèmes d'onduleurs et de chargeurs, l'entrée active (AFE), pour explorer les améliorations de taille et de densité de puissance, les pertes de puissance et l'efficacité, ainsi que les coûts de la nomenclature (BOM). Le document vise ainsi à transformer cette prise de conscience générale des avantages du SiC en une compréhension plus claire, ouvrant la voie à travers une technologie moins efficace et bien établie vers une plus grande expérience de conception basée sur le SiC.

Le défi majeur

Le défi dans la conception AFE peut être largement exprimé comme une liste de souhaits de modifications qu'un ingénieur désirerait :

Toute technologie qui résout tous ces défis — simultanément — peut effectivement avoir un impact significatif sur la compétitivité des produits ainsi que sur l'environnement.

Pourquoi le carbure de silicium ?

Le carbure de silicium permet aux ingénieurs de vérifier les éléments de la liste ci-dessus grâce aux propriétés du matériau et des appareils qui en résultent.   Comparés à la technologie Si traditionnelle, les dispositifs SiC offrent une chute de tension en état passant 2 à 3 fois inférieure à celle de Si, réduisant ainsi les pertes de conduction dans les interrupteurs SiC. Étant donné que les dispositifs SiC sont des porteurs majoritaires, ils offrent des taux de montée beaucoup plus élevés (di/dt) que ceux possibles avec Si. Leur champ de claquage 10 fois plus élevé que celui de Si permet aux dispositifs SiC de supporter des tensions plus élevées dans le même boîtier.   Une conductivité thermique plus élevée de 3,3-4,5 W/cmK contre 1,5 W/cmK pour Si permet aux dispositifs SiC de dissiper la chaleur beaucoup plus rapidement, aidant ainsi à réduire les besoins de refroidissement dans le système. De plus, les températures des puces SiC peuvent atteindre 250-300°C (contre 125°C pour Si) et les températures de jonction dans les dispositifs Wolfspeed peuvent monter jusqu'à 175°C avant d'affecter la fiabilité. Cela signifie que les dispositifs peuvent fonctionner à des températures plus élevées et avec un dispositif de refroidissement plus petit.   Les modules de puissance SiC de Wolfspeed offrent les avantages suivants par rapport aux versions Si :

Avantages d'application de la topologie AFE

L'AFE est applicable à presque tous les convertisseurs connectés au réseau. Deux topologies importantes sur les marchés émergents d'aujourd'hui sont montrées dans Figure 1. L'architecture UPS à double conversion comprend un AFE ou redresseur, un convertisseur DC/DC et un onduleur. En flux de puissance normal, un petit courant entre dans le convertisseur DC/DC qui maintient la charge de la batterie. La plupart de la puissance est envoyée à travers le lien DC dans l'onduleur où elle alimente la charge. En cas de défaut d'alimentation, l'AFE arrête de commuter et le convertisseur DC/DC envoie de l'énergie de la batterie vers l'onduleur pour alimenter la charge. Certaines applications peuvent également utiliser la batterie pour compenser une mauvaise qualité de puissance côté charge ou réseau.

Dans le chargeur rapide DC hors-bord également, l'AFE connecte le convertisseur au réseau. Il redresse la tension du réseau en une tension de liaison DC stable, qui peut ensuite être utilisée pour charger les batteries. La topologie du chargeur hors-bord est plus simple avec l'AFE interfacé directement avec juste le convertisseur DC-DC pour charger rapidement le VE. Dans les deux applications, l'AFE utilise trois modules de puissance demi-pont - un pour chaque phase.

Définition du problème et objectifs de conception

Un problème clé avec les AFEs à base de IGBT est qu'ils sont grands et inefficaces. Ils ont des pertes de commutation élevées et, comme ils sont également des sources de chaleur importantes, les ingénieurs ont le choix soit d'utiliser des systèmes de refroidissement encombrants, soit d'accepter une diminution des performances pour réduire la chaleur produite. Mais, bien que les demandes varient légèrement, tous les clients veulent payer pour un système à haute efficacité, pas pour un radiateur.   Les objectifs de conception de l'AFE peuvent donc être définis comme :

C'est dans cet esprit que des variantes IGBT et SiC d'un système AFE ont été conçues pour délivrer 200 kW de puissance redressée de haute qualité avec un bus DC bien régulé.

Conceptions basées sur IGBT vs SiC

Les systèmes basés sur l'IGBT et le SiC sont présentés largement avant d'approfondir avec une comparaison côte à côte des tailles des composants et des pertes.   Les conceptions haute puissance basées sur le Si, comme l'exemple AFE, utilisent généralement des IGBT. Montré dans Figure 2 est le schéma de circuit avec le module de puissance et ses exigences de refroidissement physique. Pour utiliser un composant de premier ordre, un module a été choisi parmi les modules IGBT dominants aujourd'hui qui sont disponibles dans le boîtier EconoDUAL®. La topologie nécessite trois de ces modules de puissance — chaque boîte rouge montrée dans la figure inclut un module de puissance, un dissipateur thermique et deux ventilateurs.

Le système pourrait être optimisé pour commuter à une fréquence aussi élevée que 8 kHz tout en nécessitant une inductance de 100 µH. Pour une température ambiante de 40°C, la température de jonction de l'IGBT (Tj) atteint 130°C et la température de jonction de la puce de diode distincte atteint 140°C. Cela nécessitait un grand dissipateur de chaleur et deux ventilateurs par module même après avoir limité la fréquence de commutation à 8 kHz.

Le système à base de SiC utilise un module de puissance Wolfspeed XM3, le XAB400M12XM3. Le système peut commuter à une fréquence beaucoup plus élevée de 25 kHz et utilise une inductance de 30 µH. Pour la même température ambiante de 40 °C, la température de jonction du MOSFET atteint 164 °C. Encore une fois, chaque boîte rouge affichée dans Figure 3 comprend le module et ses exigences de refroidissement beaucoup plus faibles.

Modules de puissance comparés

La plateforme de module de puissance XM3 de Wolfspeed occupe 60 % de volume en moins et 55 % de surface en moins qu'un module de 62 mm de puissance équivalente. Comparée à un module IGBT EconoDUAL® de puissance équivalente, la réduction en taille, volume ainsi qu'en poids est nettement plus importante.

Les principales caractéristiques de la plateforme XM3 incluent :

Dans l'AFE en question, Tableau 1 compare les pertes du module de puissance IGBT avec le CAB400M12XM3.

Tableau 1 : La comparaison des pertes démontre une réduction des pertes par module de 40 % par SiC par rapport à l'IGBT.

Comme indiqué dans Tableau 1, l'utilisation de la technologie Wolfpseed SiC aide à surmonter le premier grand défi de conception en réduisant les pertes de commutation et de conduction totales, ce qui permet de relever les défis larges restants. Notez que la diode de corps inhérente du MOSFET SiC de Wolfspeed a une charge de récupération inverse (Qrr) qui est inférieure à 1% de celle du Si. Dans le but d'atténuer quelque peu ce problème, les modules IGBT incluent une diode séparée qui contribue séparément et en supplément aux pertes.

Système de refroidissement plus petit et plus léger

La haute température de jonction des MOSFET permise par la technologie SiC de Wolfspeed et les faibles pertes du XM3 ont un effet immédiat sur les exigences de refroidissement.   Avec une perte par module de 1,11 kW, chaque EconoDUAL® doit être monté sur un grand dissipateur thermique avec un ventilateur pousseur et tireur chacun pour obtenir un débit d'air suffisant pour une efficacité de refroidissement. Le volume du système de refroidissement est de 6,4 L/module.   Compte tenu des pertes inférieures de 40 %, le XM3 nécessite un dissipateur thermique plus petit et un seul ventilateur pour obtenir le même résultat (@40°C). Le volume du système de refroidissement n'est que de 3,7 L.   Cette réduction de 42 % du volume du système de refroidissement s'accompagne d'un autre avantage — une réduction de 70 % du coût de la solution thermique du système AFE.

L'impact sur les composants passifs

En permettant une augmentation de la fréquence de commutation par un facteur de trois, de 8 kHz à 25 kHz, l'AFE à base de SiC nécessite des composants passifs plus petits (Figure 6).

Comme mentionné précédemment, l'inductance requise peut également être réduite d'un facteur trois, passant de 100 µH dans la conception IGBT à 30 µH. La réduction résultant de la taille physique est d'environ 37%. De plus, les pertes I2R dans l'inducteur sont également réduites de près de 20%.   Pour les niveaux de puissance requis par l'exemple AFE, le coût des éléments magnétiques, y compris le noyau et les enroulements en cuivre, est inférieur de 75% dans la conception XM3 par rapport à l'AFE basé sur IGBT.   L'effet sur la capacité du lien DC requis est similaire en raison de l'augmentation de la fréquence de commutation. Tandis que pour la variante IGBT, 1800 µF sont requis, la conception à base de SiC MOSFET ne nécessite que 550 µF de capacité. La comparaison côte à côte à la Figure 6 illustre la réduction du volume de la capacité nécessaire de 54%.

Comparaison au niveau système de l'AFE

Au niveau du système, l'augmentation de 3X de la commutation permise par le SiC se traduit par une amélioration de 3X de la bande passante de contrôle, ce qui signifie à son tour un temps de réponse plus rapide aux conditions dynamiques. La réduction de la demande sur les composants passifs, y compris le système de refroidissement, entraîne une réduction de 37 % des coûts de la nomenclature pour ces composants réunis.   L'AFE basé sur SiC a également des pertes inférieures de 40 % par rapport au système basé sur IGBT. Pour un système qui fonctionne en continu — 24 heures par jour, 7 jours par semaine — cela conduit à des économies d'énergie annuelles de 26 MWh. Au-delà des atouts écologiques, à un coût de 0,10 $/kWh, le SiC peut réduire le coût opérationnel annuel de 2 591 $.   Au-delà des performances, des coûts des composants passifs de la nomenclature et des coûts opérationnels, le système basé sur SiC est beaucoup plus petit en taille et en poids. Il produit une réduction du volume du système de 42 % par rapport à la version IGBT (Figure 7).

Conclusion

Une comparaison côte à côte des modules de puissance IGBT EconoDUAL® et Wolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFET de premier ordre dans des systèmes AFE de capacité similaire révèle que la technologie SiC réalise la liste de souhaits du concepteur mentionnée précédemment. La plateforme XM3 de Wolfspeed aide à augmenter significativement l'efficacité de l'ensemble du système, à améliorer la réponse et la performance globales du système, à réduire le volume global du système pour atteindre une densité de puissance bien plus élevée, et à accroître la compétitivité en réduisant les coûts de la nomenclature passive globale.