אופטימיזציה של נצילות SMPS עם גישה רבת-טכנולוגיות

הנצילות והחוסן של ספקי-כוח ממותגים (SMPS) הופכים אותם למתאימים עבור יישומים כגון תשתית טעינת רכבים חשמליים (EV), ממירים סולאריים ודוחפי מנועים תעשייתיים. עם זאת, הדרישה עבור מתחי וזרמי פעולה גבוהים יותר, הפסדי הולכה ותרמית מופחתים, וגורמי צורה קומפקטיים יותר, מחייבים את המתכננים לשלב טכנולוגיית MOSFET‏ סיליקון קרביד (SiC) מתקדמת. יש לשלב טכנולוגיה זו בזהירות עם תיריסטורים עם שער-MOS‏ ומיישרי גשר עם התאוששות מהירה כדי לייצר מערכת המרת הספק אופטימלית.

מאמר זה מעניק סקירה כללית של דרישות SMPS באמצעות דוגמה למטען רכב חשמלי. לאחר מכן המאמר מציג SiC MOSFETs‏ של IXYS/Littelfuse‏, בוחן את יכולותיהם ומדגים כיצד שילוב של טכנולוגיות התקנים שונות, כל אחת ממוטבת עבור פונקציות מעגל ספציפיות, יוצר מערכות המרת הספק יעילות וקומפקטיות יותר.

סקירה כללית של SMPS מודרני תוך שימוש בתשתית טעינה ציבורית מהירה לרכבים חשמליים כדוגמה

הנצילות היא מאפיין SMPS מובהק, אך יישומים מודרניים בהספק גבוה דוחפים תכנים אלו לקיצוניות חדשה. ניקח כדוגמה את הדרישות של מטען מהיר ציבורי בזרם ישר (DC), כגון מערכת Level 3‏ המספקת עד 350 קילוואט. הפסדים של 1% בנצילות מתורגמים ל-3.5 קילוואט של הספק מבוזבז, המגדיל משמעותית הן את עלות התפעול והן את העומס התרמי.

SiC MOSFETs‏ עם ביצועים עיליים הם מרכזיים להשגת נצילות גדולה יותר. היכולתש להם למתג בתדר גבוה תוך שמירה על התנגדות הולכה נמוכה מאפשרת רכיבים פסיביים קטנים יותר ומפחיתה את הפסדי ההמרה. לרוע המזל, אותם גורמים הופכים את ה-SiC MOSFETs‏ לפגיעים לנחשולי מתח טרנזיינטיים. לכן תכנים עם נצילות גבוהה דורשים בדרך כלל שיטות הגנה מתקדמות יותר.

כמו כן, SiC MOSFETs‏ אינם הפתרון הטוב ביותר עבור כל חלק של מטען Level 3‏. לדוגמה, מטענים ציבוריים דורשים מערכת הספקת-כוח עזר עבור משאבות קירור, תקשורת רשת ופונקציות מערכת אחרות. מערכות אלו חייבות להישאר פעילות גם אם מסלול הטעינה הראשי נקטע. כאן, התקן מבוסס דיודת סיליקון (Si) בעל אמינות גבוהה עשוי להיות בחירה טובה יותר.

חיוני להבין את הדרישות של כל מקטע בתחנת טעינה DC‏ מהירה ולבחור בקפידה את טכנולוגיית ההתקן המתאימה.

השימוש ב-SiC MOSFETs‏ עם התנגדות נמוכה עבור המרת DC-DC‏ בהספק גבוה

דרגת ההמרה DC-DC של מטען מהיר Level 3‏ ממחישה את האתגרים של תכנון SMPS מודרני. עם מתחי יציאה של עד קילו-וולט (kV), דרגה זו דרשה באופן מסורתי טרנזיסטורי סיליקון ביפולריים עם שער מבודד (IGBT) למתח-גבוה או SiC MOSFET‏ למתח גבוה. שתי הגישות עלולות לפגוע בנצילות: ה-IGBTs עקב הפסדי מיתוג גבוהים, ובמקרה של כמה SiC MOSFETs‏ מהדור-המוקדם, עקב הפסדי הולכה גבוהים יחסית. לדוגמה, לכמה SiC MOSFETs‏ במתח גבוה מהדור-המוקדם הייתה התנגדות מצב-מופעל (_(DS(ON‏R‏) בתחום של mΩ‏ 100‏.

משפחת SiC MOSFET‏ IXSJxxN120R1‏ של Littelfuse‏ מציעה פתרון משכנע עבור דילמה זו. משפחה זו משלבת מתח חסימה של עד 1,200 וולט עם _(DS(ON‏R‏ הנמוך עד כדי mΩ‏ 18‏. התנגדות נמוכה זו ממזערת הפסדי הולכה ומעניקה ביצועים תרמיים מעולים.

ההתקנים נתונים במארז קרמי מבודד עם בידוד של _AC‏V‏ 2,500‏ (דקה אחת). תכן זה מוריד את ההתנגדות התרמית בין הצומת לצלעות הקירור ומפחית הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) על ידי מזעור הקיבוליות התועה לצלעות הקירור, תוך שימוש במארז TO-247-3L‏ המוכר עבור קלות האינטגרציה.

דוגמה טיפוסית הוא ה-IXSJ43N120R1‏ (איור 1). התקן זה מדורג עבור זרם מרזב (Drain‏) רצוף _D‏I‏ של A‏ 45‏ ב-C‏°‏25‏+, עם _(DS(ON‏R‏ של mΩ‏ 36‏. הוא גם מציע מטען שער נמוך של nC‏ 79‏ וקיבוליות כניסה של pF‏ 2,453‏, המתאימה עבור תכנים עם מגנטיות קטנה יותר.

איור 1: ה-SiC MOSFET‏ V‏ 1,200‏ IXSJ43N120R1‏ מגיע במארז TO-247-3L מבודד והוא מדורג עבור זרם מרזב (Drain‏) רצוף _D‏I‏ של A‏ 45‏ ב-C‏°‏25‏+, עם _{(DS(ON‏R‏} של mΩ‏ 36‏ (טיפוסי). (מקור התמונה: Littelfuse‏)

על ידי הפחתת הפסדי ההולכה תוך שמירה על יכולת חסימת מתח גבוה, משפחת IXSJxxN120R1 מאפשרת למתכננים לפשט טופולוגיות ממירים, להפחית תקורה תרמית ולמקסם את נצילות המערכת הכוללת.

מזעור הפסדי מיתוג בביצועי קצה-קדמי אקטיבי

בחלקים אחרים של מטען מהיר DC, הפסדי מיתוג יכולים להיות קריטיים יותר מהתנגדות ההולכה. נבחן את הקצה הקדמי האקטיבי, אשר ממיר AC‏ ל-DC‏ תוך עיצוב צורת הגל של הזרם כך שתעמוד בדרישות תיקון גורם ההספק (PFC) ועיוותים הרמוניים. מכיוון שדרגה זו מסתמכת על תדרי מיתוג מוגדלים כדי למזער את גודל המשרן והמסנן, הפסדי מיתוג ממלאים תפקיד משמעותי בנצילות הכוללת.

סדרת SiC MOSFET‏ LSIC1MO120E‏ של Littelfuse‏ ממוטבת עבור יישומי תדר-גבוה אלו. התקנים אלה משלבים יכולת חסימה של 1,200 וולט עם הפסדים דינמיים נמוכים, ההופכים אותם למתאימים היטב עבור ממירי PFC Boost במטענים מהירים DC ובמערכות אחרות המחוברות לרשת החשמל.

לדוגמה, ה-LSIC1MO120E0080‏ (איור 2) מדורג עבור זרם מרזב (Drain‏) רצוף (_D‏I‏) של A‏ 39‏ ב-C‏°‏25‏+, והוא מאזן _(DS(ON‏R‏ מכובד של mΩ‏ 80‏ (טיפוסי) עם אנרגיית מיתוג נמוכה לכל מחזור של µJ‏ 252‏. תחום טמפרטורות צומת מורחב 55°C- עד 175°C+ מעניק מרווח תכן נוסף בהתקנות חוץ שבהן תנאי הסביבה משתנים באופן נרחב.

איור 2: ה-SiC MOSFET‏ LSIC1MO120E0080 ממוטב עבור יישומים בתדר גבוה. (מקור התמונה: Littelfuse)

סדרת LSIC1MO120E מגיעה במארז TO-247-3 לא-מבודד. על ידי חיבור ה-LSIC1MO120E הממוטב עבור הפסדי מיתוג בקצה-קדמי עם ה-IXSJxxN120R1 הממוטב עבור הפסדי הולכה בדרגת DC/DC, המתכננים יכולים למטב את הנצילות לאורך כל שרשרת הספקת-הכוח עבור טעינה מהירה.

הגנת מעגלים מתקדמת עם תיריסטורים עם שער-MOS‏

כדי להבטיח פעולה אמינה, מערכות טעינה מהירה DC‏ חייבות לעמוד בפני נחשולי מתח הנגרמים על ידי רשת החשמל כמו גם פריקות אנרגיה פתאומיות כתוצאה מה-DC Link‏ במהלך תקלות. מגני הגנה בסגנון Crowbar‏ משמשים לעתים קרובות להגנה על מערכות רגישות מפני סכנות אלו, אך ככל שרמות ההספק עולות, מערכות הגנה אלו זקוקות ליכולת טיפול זרם גבוהה יותר וזמני תגובה מהירים יותר. תיריסטור עם שער-MOS‏ כגון MMIX1H60N150V1‏ (איור 3‏) במארז SMPD‏-24‏ מתאים היטב עבור דרישות אלו.

איור 3: התיריסטור MMIX1H60N150V1 עם שער-MOS‏ מגיע במארז SMPD‏-24‏. (מקור התמונה: IXYS/Littelfuse)

ישנן שלוש תכונות בולטות בשימוש במעגלי Crowbar‏ עבור מטען DC:

• יכולת נחשולי מתח גבוה: , מדורג ל-32 קילואמפר (kA) למשך מיקרו-שנייה (µs) אחת ו-kA‏ 11.8‏ ב-µs‏ 10‏, ההתקן יכול לספוג הפרעות חמורות מבלי לפגוע בדרגות SiC MOSFET‏ במורד הזרם.
• מאפייני טריגר מהירים: שיהוי של 50 ננו-שניות (ns) וזמן עליית זרם של 100 ננו-שניות תומכים בהידוק מהיר של אירועי מתח-יתר לפני שהם מתפשטים לממיר.
• דיודה אנוי-מקבילית משולבת: תכונה זו מאפשרת להתקן להתמודד עם זרמי תקלה דו כיווניים, אמצעי הגנה חשוב מפני הפרעות DC Link‏.

ביחד, תכונות אלו הופכות את ה-MMIX1H60N150V1 לבחירה חסונה עבור הגנה על מערכות טעינה מהירה DC בהספק גבוה.

הבטחת זמינות המערכת והספקת-כוח עזר באמצעות מיישרי גשר

מעבר לנתיב הספקת-הכוח העיקרי, מטענים מהירים DC‏ ציבוריים דורשים הספקת-כוח עזר עבור מערכות כגון משאבות קירור, מסופי תשלום, צגים ותקשורת. מיישר הגשר VBE60-06A‏ (איור 4) מתוכנן להעניק את הזמינות הגבוהה הנדרשת עבור פונקציות קריטיות אלו.

איור 4: מיישר הגשר VBE60-06A מספק חורי ברגים עבור הרכבה קלה. (מקור התמונה: IXYS/Littelfuse)

ה-VBE60-06A, הבנוי על טכנולוגיית דיודה עם ביצועים עיליים והתאוששות מהירה (HiPerFRED‏), משלב הפסדי הולכה נמוכים עם מאפייני התאוששות הפוכה רכה. שלוש תכונות תומכות במיוחד בשימוש בו ביישומי תשתית תובעניים:

• קיבולת הספק גבוה: עם מתח חסימה הפוך של 600 וולט וזרם יציאת גשר של 60 אמפר, ההתקן מעניק שוליים רחבים דים עבור הורדת הערך הנומינלי (Derating‏) בציוד חוץ החייב לפעול ברציפות בתחום טמפרטורות רחב.
• EMI נמוך: זמן התאוששות הפוכה של 35 ננו-שניות בלבד, בשילוב עם התנהגות התאוששות רכה, ממזערים את הפסדי המיתוג ומפחיתים את פליטות התדר הגבוה העלולות לגרום ל-EMI. מזעור EMI הוא קריטי במערכות המשלבות תקשורת רגישה ואלקטרוניקה לבקרה.
• פעולה חסונה: המיישר מדורג לעמידות בפני מפולת עבור ביצועים אמינים בתנאי טרנזיינטים. מארז המיני-בלוק SOT-227B הסטנדרטי בתעשייה שלו מעניק בידוד של 3,000 וולט, משפר את בטיחות המערכת ומפשט את האינטגרציה במכללי מתח גבוה.

על ידי הספקת-כוח מיושר, אמין ושקט מבחינה אלקטרומגנטית עבור תת-מערכות עזר, ה-VBE60-06A תומך ביעדי זמן פעולה וזמינות החיוניים עבור רשתות טעינה ציבוריות.

תכנון פתרונות מערכת שלמים עבור יישומי SMPS

עקרונות התכנון ברמת המערכת שנידונו עבור מטענים מהירים לרכבים חשמליים ישימים ישירות עבור יישומי SMPS תובעניים אחרים. באינוורטרים סולאריים, לדוגמה, מקסום קצירת אנרגיה תלוי במזעור הפסדי ההולכה והמיתוג בדרגות עקיבת נקודת הספק מקסימלית (MPPT) והאינוורטר. שימוש משולב ב-MOSFET SiC מתאימים יכול להשיג את שתי המטרות, בעוד שהגנה חסונה מפני נחשולי מתח עם תיריסטורים עם שער-MOS‏ יכולה לשמור על אורך החיים וזמן הפעולה של המערכת.

דוחפי מנועים תעשייתיים מציבים אתגרים דומים. מיתוג בתדר גבוה מאפשר בקרה מדויקת של המנוע תוך הפחתת רעידות, אך הוא גם מגביר את המאמצים התרמיים. SiC MOSFETs‏ עם הפסדים נמוכים עוזרים לנהל דרישות אלו, משפרים את הנצילות ומורידים את עלויות התפעול. במקביל, סביבות תעשייתיות קשות מבחינה חשמלית דורשות את ההגנה המהירה והבטוחה בפני זרם גבוה שמעניקים תיריסטורים עם שער-MOS‏, מה שמבטיח את האמינות הנדרשת בפעולות תעשייתיות רצופות.

יתר על כן, גם אינוורטרים סולאריים וגם מנועים תעשייתיים משתמשים בהספקת-כוח עזר עבור בקרה, ניטור ומערכות קריטיות אחרות. פונקציות אלה דורשות מקור הספקת-כוח אמין ושקט מבחינה אלקטרומגנטית, תפקיד שניתן למלא על ידי מיישרים בעלי דירוגים חסונים, התאוששות רכה ו-EMI נמוך.

לבסוף, לכל הפתרונות המוצגים כאן יש תחומי טמפרטורות פעולה רחבים בתחום של לפחות 40°C- עד 150°C‏+, כאשר חלק מההתקנים תומכים בטמפרטורות קיצוניות אף יותר. תחומי טמפרטורות פעולה רחבים מבטיחים שההתקנים ישארו מהימנים בסביבות הקשות שבהן מתקינים מטעני EV‏ ומערכות SMPS‏ אחרות.

סיכום

תכנון מטעני DC‏ מהירים, אמינים ויעילים דורש מגוון של התקנים בעלי ביצועים עיליים. כל בלוק פונקציונלי מציב דרישות משלו לרכיבים, החל מנצילות המיתוג ועד להפסדי הולכה ואמינות לטווח ארוך. Littelfuse עונה על צרכים מגוונים אלה עם פורטפוליו המשתרע על פני מיתוג, יישור והגנה, ומאפשר למהנדסים להרכיב פתרונות שלמים ברמת המערכת. יתרונות אלה נפרשים על פני יישומי SMPS, ומעניקים למתכננים את הכלים לעמוד בדרישות תובעניות בשווקים מגוונים.