Efisiensi dan ketahanan catu daya mode sakelar (SMPS) menjadikannya sangat cocok untuk aplikasi seperti stasiun pengisian kendaraan listrik (EV), inverter surya, dan penggerak motor industri. Namun, karena kebutuhan tegangan dan arus pengoperasian yang lebih tinggi, konduksi dan kehilangan panas yang lebih rendah, serta tampilan yang lebih kompak, perancang harus mengadopsi teknologi MOSFET silikon karbida (SiC) yang canggih. Teknologi ini harus dikombinasikan secara hati-hati dengan thyristor bergerbang MOS dan penyearah jembatan pemulihan cepat untuk menciptakan sistem konversi daya terbaik.
Artikel ini mengambil stasiun pengisian kendaraan listrik sebagai contoh untuk menguraikan persyaratan SMPS. Kemudian, MOSFET SiC dari IXYS/Litelfuse diperkenalkan, kinerjanya diperiksa, dan bagaimana teknologi perangkat yang berbeda (masing-masing dioptimalkan untuk fungsi sirkuit tertentu) digabungkan untuk menciptakan sistem konversi daya yang lebih efisien dan kompak ditunjukkan.
Ikhtisar SMPS modern menggunakan contoh stasiun pengisian kendaraan listrik umum cepat
Efisiensi adalah fitur khas SMPS, namun aplikasi modern berdaya tinggi mendorong desain ini ke tingkat ekstrem baru. Pertimbangkan persyaratan stasiun pengisian cepat arus searah (DC) publik, seperti sistem 3 tingkat dengan daya hingga 350 kW. Hilangnya efisiensi sebesar 1% setara dengan pemborosan daya sebesar 3,5 kilowatt, sehingga sangat meningkatkan biaya pengoperasian dan beban termal.
SiC MOSFET berkinerja tinggi adalah inti untuk mencapai efisiensi yang lebih tinggi. Mereka dapat melakukan peralihan frekuensi tinggi sambil mempertahankan resistansi rendah, memungkinkan penggunaan komponen pasif yang lebih kecil dan mengurangi kerugian konversi. Sayangnya, faktor-faktor ini juga membuat MOSFET SiC rentan terhadap lonjakan tegangan transien. Oleh karena itu, desain yang efisien seringkali memerlukan skema perlindungan yang lebih canggih.
Selain itu, SiC MOSFET bukanlah solusi optimal untuk setiap bagian stasiun pengisian 3 tingkat. Misalnya, stasiun pengisian umum memerlukan sistem tenaga tambahan untuk pompa pendingin, komunikasi jaringan, dan fungsi sistem lainnya. Sekalipun jalur pengisian utama terganggu, sistem ini harus tetap beroperasi. Dalam hal ini, perangkat dioda silikon (Si) dengan keandalan tinggi mungkin merupakan pilihan yang lebih baik.
Penting untuk memahami persyaratan setiap bagian stasiun pengisian cepat DC dan dengan cermat memilih teknologi peralatan yang sesuai.
Menggunakan SiC MOSFET resistansi rendah untuk mencapai konversi DC-DC daya tinggi
Tahap konversi DC-DC pada stasiun pengisian cepat 3 tingkat menunjukkan tantangan yang dihadapi oleh desain SMPS modern. Karena tegangan keluaran tinggi hingga 1 kilovolt (kV), tahap ini secara tradisional memerlukan penggunaan transistor bipolar gerbang berinsulasi silikon (IGBT) tegangan tinggi atau MOSFET silikon karbida tegangan tinggi. Kedua metode tersebut menghasilkan kerugian efisiensi: IGBT memiliki kerugian peralihan yang tinggi, sementara beberapa MOSFET SiC awal memiliki kerugian konduksi yang relatif tinggi. Misalnya, resistansi hidup (RDS (ON)) dari beberapa MOSFET SiC tegangan tinggi awal adalah sekitar 100 m Ω.
Seri Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET memberikan solusi yang meyakinkan untuk masalah ini. Rangkaian produk ini memiliki tegangan pemblokiran setinggi 1200 volt dan RDS (ON) serendah 18 m Ω. Karakteristik resistansi rendah ini dapat meminimalkan kerugian konduksi dan mencapai kinerja termal yang sangat baik.
Perangkat ini dikemas dalam isolasi keramik dengan kemampuan tegangan isolasi 2500 VAC (1 menit). Desain ini mengurangi ketahanan termal pada unit pendingin dan meminimalkan interferensi elektromagnetik (EMI) dengan meminimalkan kapasitansi nyasar pada unit pendingin. Pada saat yang sama, ia mengadopsi paket TO-247-3L yang sudah dikenal, yang memfasilitasi integrasi.
IXSJ43N120R1 adalah contoh tipikal (Gambar 1). ID arus pembuangan kontinu terukur perangkat pada+25 ° C adalah 45 A, dan RDS (ON) adalah 36 m Ω (nilai tipikal). Ia juga memiliki muatan gerbang yang rendah sebesar 79 nC dan kapasitansi masukan sebesar 2453 pF, sehingga cocok untuk desain dengan magnet yang lebih kecil.
Gambar MOSFET Littelfuse IXSJ43N120R1 1200 V SiC
Gambar 1: MOSFET SiC IXSJ43N120R1 1200 V mengadopsi paket TO-247-3L terisolasi, dengan ID arus pembuangan kontinu terukur 45 A dan RDS (ON) 36 m Ω (nilai tipikal) pada+25 ° C. (Sumber gambar: Littelfuse)
Seri IXSJxxN120R1 mengurangi kerugian konduksi sekaligus mempertahankan kemampuan pemblokiran tegangan tinggi, memungkinkan perancang menyederhanakan topologi konverter, mengurangi overhead termal, dan memaksimalkan efisiensi sistem secara keseluruhan.
Minimalkan kerugian saklar dalam kinerja front-end aktif
Di bagian lain stasiun pengisian cepat DC, kerugian sakelar mungkin lebih penting daripada hambatan. Front-end aktif mengubah daya AC menjadi daya DC dan membentuk bentuk gelombang arus untuk memenuhi persyaratan koreksi faktor daya (PFC) dan distorsi harmonik. Karena ketergantungan pada frekuensi switching yang lebih tinggi pada tahap ini untuk meminimalkan ukuran induktor dan filter, kerugian switching memainkan peran penting dalam efisiensi secara keseluruhan.
Seri MOSFET SiC LSIC1MO120E Littelfuse telah dioptimalkan untuk aplikasi frekuensi tinggi ini. Perangkat ini menggabungkan kemampuan pemblokiran 1200 volt dan kerugian dinamis yang rendah, menjadikannya sangat cocok untuk konverter penguat PFC di stasiun pengisian cepat DC dan sistem terhubung ke jaringan lainnya.
Misalnya, arus pembuangan kontinu terukur (II) LSIC1MO120E0080 (Gambar 2) pada+25 ° C adalah 39 A, R (DSON) adalah 80 m Ω (nilai tipikal), dan energi peralihan per siklus adalah 252 µ J. Kisaran suhu sambungan yang diperluas adalah dari -55 ° C hingga+175 ° C, memberikan margin desain tambahan untuk instalasi luar ruangan dengan kondisi lingkungan yang besar.