I moduli di potenza al carburo di silicio massimizzano l'efficienza dell'active front end.

Come ingegneri che progettano UPS prestano grande attenzione a garantire il funzionamento continuo dei data center aziendali 24/7, sono anche consapevoli che le alimentazioni elettriche consumeranno 90 TWh di elettricità negli Stati Uniti ogni anno — abbastanza per far funzionare 30 grandi e nocivi impianti a carbone. E in un altro campo di progettazione, gli ingegneri energetici stanno lavorando per garantire che i caricabatterie rapidi possano ricaricare rapidamente i veicoli elettrici (EV), con una maggiore consapevolezza del costo dell'elettricità e dell'impatto ambientale della sua generazione.

Gli ingegneri che si concentrano su qualsiasi area di applicazione condividono le preoccupazioni riguardanti l'efficienza, la densità di potenza e i costi. E, anche se non hanno ancora progettato utilizzandola, sono consapevoli che la soluzione potrebbe risiedere nella tecnologia al Carburo di Silicio (SiC). In questo documento degli esperti di Wolfspeed, queste preoccupazioni vengono affrontate attraverso un confronto diretto per dimostrare che il Carburo di Silicio (SiC) è di gran lunga la scelta migliore rispetto ai dispositivi a base di silicio (Si) per applicazioni ad alta potenza. La dimostrazione utilizza una parte essenziale dei sistemi UPS e dei caricabatterie, il front-end attivo (AFE), per analizzare i miglioramenti in termini di dimensioni e densità di potenza, perdite di potenza ed efficienza, e costi della distinta base (BOM). Il documento mira quindi a trasformare quella consapevolezza generale dei benefici del SiC in una comprensione più chiara, aprendo la strada attraverso una tecnologia meno efficiente consolidata verso una maggiore esperienza nella progettazione basata su SiC.

La sfida ampia

La sfida nella progettazione dell'AFE può essere espressa in termini generali come una lista di desideri di modifiche che un ingegnere vorrebbe:

Qualsiasi tecnologia che risolva tutti questi problemi — simultaneamente — può davvero avere un impatto significativo sulla competitività del prodotto così come sull'ambiente.

Perché il Carburo di Silicio?

Il carburo di silicio consente agli ingegneri di verificare gli elementi nella lista sopra menzionata grazie alle proprietà del materiale e dei dispositivi risultanti.   Rispetto alla tradizionale tecnologia al silicio (Si), i dispositivi in SiC offrono una caduta di tensione in stato di conduzione inferiore di 2-3 volte rispetto al Si, riducendo così le perdite di conduzione negli switch in SiC. Poiché i dispositivi in SiC sono basati su portatori maggioritari, offrono velocità di commutazione (di/dt) molto più elevate rispetto a quelle possibili con il Si. Il loro campo di rottura, 10 volte più alto di quello del Si, consente ai dispositivi in SiC di sopportare tensioni più elevate nello stesso package.   Una conducibilità termica superiore, pari a 3,3-4,5 W/cmK rispetto a quella del Si di 1,5 W/cmK, consente ai dispositivi in SiC di dissipare il calore molto più rapidamente, contribuendo a ridurre i requisiti di raffreddamento del sistema. Inoltre, le temperature dei chip in SiC possono raggiungere i 250-300°C (rispetto ai 125°C del Si) e le temperature di giunzione nei dispositivi Wolfspeed possono arrivare fino a 175°C prima di compromettere l'affidabilità. Ciò significa che i dispositivi possono funzionare a temperature più elevate con un sistema di raffreddamento più piccolo.   I moduli di potenza in SiC di Wolfspeed offrono i seguenti vantaggi rispetto alle versioni in Si:

Vantaggi applicativi della topologia AFE

L'AFE è applicabile alla quasi totalità dei convertitori collegati in rete. Due topologie prominenti nei mercati emergenti di oggi sono mostrate in Figura 1. L'architettura UPS a doppia conversione comprende un AFE o raddrizzatore, un convertitore DC/DC e un inverter. Nel normale flusso di energia, una piccola corrente entra nel convertitore DC/DC che mantiene la carica della batteria. La maggior parte dell'energia viene trasmessa attraverso il collegamento DC all'inverter, dove alimenta il carico. In caso di guasto elettrico, l'AFE interrompe la commutazione e il convertitore DC/DC invia energia dalla batteria all'inverter per alimentare il carico. Alcune applicazioni possono utilizzare la batteria anche per compensare la scarsa qualità dell'energia lato carico o rete.

Anche nel caricatore rapido DC off-board, l'AFE collega il convertitore alla rete. Rettifica la tensione di rete in una tensione stabile del collegamento DC, che può poi essere utilizzata per caricare le batterie. La topologia del caricatore off-board è più semplice, con l'AFE che interagisce direttamente solo con il convertitore DC-DC per ricaricare rapidamente il veicolo elettrico. In entrambe le applicazioni, l'AFE utilizza tre moduli di potenza a mezzo ponte – uno per ciascuna fase.

Definire il problema & gli obiettivi di design

Un problema chiave con gli AFE basati su IGBT è che sono grandi e inefficienti. Presentano perdite di commutazione elevate e, poiché sono anche fonti significative di calore, gli ingegneri hanno l'opzione di utilizzare sistemi di raffreddamento ingombranti oppure accettare un calo delle prestazioni per ridurre il calore generato. Tuttavia, sebbene le esigenze possano variare leggermente, tutti i clienti desiderano pagare per un sistema ad alta efficienza, non per un riscaldatore.   Gli obiettivi di progettazione degli AFE, pertanto, possono essere definiti come:

Tenendo questo in mente, sono state progettate varianti IGBT e SiC di un sistema AFE per fornire 200 kW di potenza rettificata di alta qualità con un bus DC ben regolato.

Progetti basati su IGBT vs SiC

I sistemi basati su IGBT e SiC vengono presentati in modo generale prima di approfondire con un confronto diretto delle dimensioni dei componenti e delle perdite.   I progetti ad alta potenza basati su silicio, come l'esempio AFE, utilizzano tipicamente gli IGBT. Mostrato in Figura 2 è il diagramma del circuito con il modulo di potenza e i suoi requisiti fisici di raffreddamento. Per utilizzare un componente di alta qualità, è stato scelto un modulo tra i principali moduli IGBT disponibili oggi, forniti nel package EconoDUAL®. La topologia richiede tre di questi moduli di potenza — ciascun riquadro rosso mostrato nella figura include un singolo modulo di potenza, un dissipatore di calore e due ventole.

Il sistema potrebbe essere ottimizzato per commutare a una frequenza fino a 8 kHz utilizzando un induttore da 100 µH. Con una temperatura ambiente di 40°C, la temperatura di giunzione dell'IGBT (Tj) raggiunge i 130°C e la temperatura di giunzione del chip del diodo separato raggiunge i 140°C. Questo ha richiesto un grande dissipatore di calore e due ventole per modulo, anche dopo aver limitato la frequenza di commutazione a 8 kHz.

Il sistema basato su SiC utilizzava un modulo di potenza Wolfspeed XM3, il XAB400M12XM3. Il sistema può commutare a una frequenza molto più alta di 25 kHz e utilizza un induttore da 30 µH. Alla stessa temperatura ambiente di 40 °C, la temperatura di giunzione del MOSFET raggiunge 164 °C. Ancora una volta, ciascun riquadro rosso mostrato in Figura 3 comprende il modulo e le sue esigenze di raffreddamento molto inferiori.

Confronto tra moduli di potenza

La piattaforma del modulo di potenza XM3 di Wolfspeed occupa il 60% di volume in meno e il 55% di area in meno rispetto a un modulo da 62 mm con prestazioni equivalenti. Rispetto a un modulo IGBT EconoDUAL® con prestazioni simili, la riduzione di dimensioni, volume e peso è significativamente maggiore.

Le caratteristiche principali della piattaforma XM3 includono:

Nell'AFE in esame, Tabella 1 confronta le perdite del modulo di potenza IGBT con il CAB400M12XM3.

Tabella 1: Il confronto delle perdite mostra una riduzione delle perdite per modulo del 40% con SiC rispetto a IGBT.

Come mostrato nella Tabella 1, l'utilizzo della tecnologia Wolfspeed SiC aiuta a superare la prima grande sfida di progettazione riducendo le perdite totali di commutazione e conduzione, permettendo di affrontare le restanti grandi sfide. Si noti che il diodo intrinseco del MOSFET Wolfspeed SiC ha una carica di recupero inverso (Qrr) inferiore all'1% rispetto a quella del Si. Nel tentativo di alleviare parzialmente questo problema, i moduli IGBT includono un diodo separato che contribuisce ulteriormente alle perdite in modo indipendente.

Sistema di raffreddamento più piccolo e leggero

La temperatura elevata della giunzione MOSFET consentita dalla tecnologia SiC di Wolfspeed e le basse perdite del modulo XM3 hanno un effetto immediato sui requisiti di raffreddamento.   Con una perdita per modulo di 1,11 kW, ogni EconoDUAL® deve essere montato su un grande dissipatore di calore con una ventola di spinta e una di estrazione per ottenere un flusso d’aria sufficiente per l’efficienza del raffreddamento. Il volume del sistema di raffreddamento è di 6,4 L/modulo.   Considerando le perdite inferiori del 40%, l’XM3 necessita di un dissipatore di calore più piccolo e di una sola ventola per ottenere lo stesso risultato (@40°C). Il volume del sistema di raffreddamento è di soli 3,7 L.   Questa riduzione del 42% nel volume del sistema di raffreddamento è accompagnata da un ulteriore vantaggio: una riduzione del 70% del costo della soluzione termica del sistema AFE.

L'impatto sui componenti passivi

Consentendo un aumento della frequenza di commutazione di un fattore tre, da 8 kHz a 25 kHz, l'AFE basato su SiC necessita di componenti passivi più piccoli (Figura 6).

Come accennato in precedenza, l'induttanza richiesta può anche essere ridotta di un fattore tre, passando dai 100 µH del design con IGBT a 30 µH. La conseguente riduzione della dimensione fisica è di circa il 37%. Inoltre, le perdite I2R nell'induttore sono ridotte di circa il 20%.   Per i livelli di potenza richiesti dall'esempio AFE, il costo dei componenti magnetici, inclusi il nucleo e gli avvolgimenti in rame, è inferiore nel design XM3 del 75% rispetto all'AFE basato su IGBT.   L'impatto sulla capacità richiesta del collegamento DC è simile, grazie all'aumento della frequenza di commutazione. Mentre per la variante IGBT sono necessari 1800 µF, il design basato su MOSFET SiC richiede solo 550 µF di capacità. Il confronto diretto mostrato nella Figura 6 illustra una riduzione del volume della capacità necessaria pari al 54%.

Confronto a livello di sistema AFE

A livello di sistema, l’aumento di 3 volte nella commutazione reso possibile dal SiC si traduce in un miglioramento di 3 volte nella larghezza di banda di controllo, che a sua volta significa un tempo di risposta più rapido alle condizioni dinamiche. L’alleggerimento della domanda sui componenti passivi, incluso il sistema di raffreddamento, comporta una riduzione del 37% dei costi della distinta base (BOM) per quei componenti considerati nel loro insieme.   L’AFE basato su SiC presenta inoltre perdite inferiori del 40% rispetto al sistema basato su IGBT. Per un sistema che funziona ininterrottamente — 24 ore al giorno, 7 giorni su 7 — questo equivale a un risparmio energetico annuo di 26 MWh. Oltre ai crediti ambientali, considerando un costo di $0,10/kWh, il SiC può ridurre il costo operativo annuale di $2.591.   Oltre a prestazioni, costi BOM passivi e costi operativi, il sistema basato su SiC è molto più piccolo in dimensioni e peso. Si ottiene una riduzione del volume del sistema del 42% rispetto alla versione IGBT (Figura 7).

Conclusione

Un confronto fianco a fianco tra i moduli di potenza IGBT EconoDUAL® di classe superiore e i Wolfspeed CAB400M12XM3 SiC-MOSFET in sistemi AFE con valutazioni simili rivela che la tecnologia SiC realizza i desideri sopra menzionati dei progettisti. La piattaforma XM3 di Wolfspeed aiuta a incrementare significativamente l'efficienza dell'intero sistema, migliorare la risposta e le prestazioni complessive del sistema, ridurre il volume complessivo del sistema per ottenere una densità di potenza molto più elevata e aumentare la competitività riducendo i costi complessivi della distinta base dei componenti passivi.