Optimice los sistemas de potencia con transmisiones de puerta MOSFET de SiC e IGBT de Si

Los MOSFET de carburo de silicio (SiC) y los IGBT de silicio (Si) son componentes clave en los convertidores de CC-CC, en los cargadores de batería, en las transmisiones de motor y en los inversores de corriente alterna (CA) necesarios para aplicaciones de energía ecológica como vehículos eléctricos (EV) y sistemas fotovoltaicos (PV). Sin embargo, si desea obtener la máxima eficiencia, las puertas de los MOSFET de SiC y los IGBT de Si necesitan voltajes de transmisión precisos al encenderse y apagarse, según el dispositivo utilizado. Y para brindar una alta confiabilidad, necesita drivers de puerta con aislamiento reforzado, altos voltajes de aislamiento, inmunidad de voltaje transitorio de modo común (CMTI), capacitancias de aislamiento bajas, compatibilidad electromagnética (EMC) que incluye CISPR 32 55032 para emisiones e IEC 61000-4-2 para inmunidad, protección contra cortocircuitos y un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +105 °C.

Estas numerosas demandas de rendimiento hacen que el diseño de convertidores CC-CC compactos y de alta eficiencia adecuados para controlar las puertas de los MOSFET de SiC y de los IGBT de Si sea un desafío desalentador y lento.

Para acelerar las cosas y obtener soluciones confiables, compactas y eficientes, puede utilizar en su lugar convertidores de CC-CC de transmisión de puerta listos para usar. Estos convertidores brindan los voltajes precisos necesarios para admitir una conmutación de alta eficiencia y satisfacer las demandas operativas garantizar una alta confiabilidad.

Repasemos las diferentes necesidades de voltaje de transmisión de los MOSFET de SiC y los IGBT de Si, examinemos más de cerca las especificaciones clave y veamos algunos convertidores CC-CC de transmisión de puerta de Mornsun cuyo uso puede resultarle adecuado en una variedad de sistemas de energía verde.

Variaciones de voltaje de transmisión

Tanto los IGBT de Si como los MOSFET de SiC ofrecen bajas pérdidas por conducción y se pueden utilizar para aplicaciones de conversión de energía de alta eficiencia. Para aplicaciones de alta frecuencia, los MOSFET de SiC pueden ofrecer pérdidas por conmutación generales más bajas, incluidas las pérdidas por encendido y apagado. Específicamente, las pérdidas por encendido de los MOSFET de SiC suelen ser entre un 15 % y un 20 % más bajas que las de los IGBT de Si, y las pérdidas de apagado son un 75 % más bajas. Las mayores pérdidas por apagado en los IGBT de Si se derivan de las corrientes de cola durante el apagado que aumentan la disipación de energía. Los MOSFET de SiC no experimentan una corriente de cola.

La diferencia en las características de encendido y apagado de los MOSFET de SiC y los IGBT de Si da como resultado diferentes necesidades de voltaje de transmisión (Tabla 1).

Tabla 1: Diferentes características de conmutación dan como resultado diferentes necesidades de voltaje de transmisión. (Fuente de la tabla: Mornsun)

Especificaciones clave de la potencia de transmisión

Si bien los requisitos de voltaje de transmisión de encendido y apagado de los IGBT de Si y los MOSFET de SiC difieren, las fuentes de alimentación del eje impulsor tienen requisitos de rendimiento similares en otras áreas, que incluyen:

• Aislamiento reforzado, distancias de aislamiento y de fuga, y un voltaje de aislamiento continuo de 1,700 voltios para cumplir con IEC 61800-5-1, que puede ser difícil de lograr mientras se mantiene una solución compacta y eficiente.
• Un CMTI alto. Esta es la tasa máxima permitida de aumento o disminución del voltaje de modo común entre dos circuitos aislados, medida en kilovoltios por microsegundo (kV/μs). Ambos tipos de dispositivos deben admitir diseños de alta frecuencia y transiciones de conmutación más rápidas, lo que ayuda a lograr tamaños de sistema más pequeños y una mayor eficiencia.
• La capacitancia de aislamiento debe ser baja. Si es demasiado alta, la interferencia de modo común puede afectar la señal de control de modulación de ancho de pulso (PWM), lo que da como resultado un error de señal y una falla del sistema.
• Se requiere un rendimiento de EMC que cumpla con las limitaciones de CISPR 32/EN55032 para susceptibilidad e IEC/EN61000-4-2 para inmunidad para garantizar un funcionamiento confiable del sistema.

Los cortocircuitos son uno de los modos de falla más comunes en los convertidores de potencia. Como tal, las fuentes de alimentación de la transmisión de puerta deben incluir protección contra cortocircuitos.

Fuentes de alimentación de transmisión de puerta

Si está diseñando sistemas de energía verde utilizando MOSFET de SiC, puede recurrir a la serie QAxx3C-R3 de módulos convertidores de CC-CC de Mornsun. Estas fuentes de alimentación de transmisión de puerta están disponibles con voltajes de entrada de 5, 12, 15 y 24 voltios de CC (V CC) y una variedad de combinaciones de salida como la QA123C-2005R3 que tiene una entrada de 12 V CC y produce voltajes de transmisión de 20 y -5.0 V CC, el QA243C-2005R3 con una entrada de 24 V CC y salidas de 20 y -5.0 V CC, y el QA153C-1504R3 (Figura 1) con entrada de 15 V CC y salidas de 15 y -4.0 V CC.

Figura 1: El QA153-1504R3 es un módulo de potencia de transmisión de MOSFET de SiC con una entrada de 15 V CC y salidas de 15 y -4.0 V CC. (Fuente de la imagen: Mornsun)

Si usa IGBT, Mornsun ofrece la serie QAxx3H-R3 con voltajes de entrada de 12, 15 y 24 V CC. El QA123H-1509R3, por ejemplo, tiene una entrada de 12 V CC y produce salidas de 15 y -9.0 V CC. También está la serie QAxx3-R3 con voltajes de entrada de 5, 12, 15 y 24 V CC. El QA053-1509R3, por ejemplo, tiene un voltaje de entrada de 5 V CC y salidas de 15 y -8.7 V CC.

Entre las características comunes de las tres series de estas fuentes de alimentación de transmisión, se incluyen:

• Eficiencia de hasta el 87 %
• Paquete en línea simple (SIP)
• Aislamiento reforzado probado a 5 kV CA durante 1 minuto con fuga máxima de 1 miliamperio (mA)
• Voltaje de aislamiento continuo de 1,700 voltios
• CMTI de ±200 kV/μs
• Capacitancia de aislamiento de 3.5 picofaradios (pF)
• Compatibilidad EMC, incluida CISPR 32 55032 para emisiones e IEC 61000-4-2 para inmunidad con componentes externos
• Protección contra cortocircuitos
• Funcionamiento a una temperatura de entre -40 y +105 °C

Ejemplos de uso

Las fuentes de alimentación de transmisión de las series QAxx3C-R3, QAxx3-R3 y QAxx3H-R3 están altamente integradas y solo requieren tres capacitores electrolíticos de baja resistencia de 35 voltios y 100 microfaradios (µF) para aplicaciones generales (Figura 2) y algunos componentes adicionales para los requisitos típicos de EMC (Figura 3 y Tabla 2).

Figura 2: Los capacitores C1, C2 y C3 son todos dispositivos de 100 µF y 35 voltios en aplicaciones de IGBT y SiC (mostradas anteriormente). (Fuente de la imagen: Mornsun)

Figura 3: Los valores de los componentes de EMC varían según el voltaje de entrada (Tabla 2). CY1 (abajo) es un capacitor de 330 pF que se usa solo con modelos de entrada de 5 V CC. (Fuente de la imagen: Mornsun)

Tabla 2: Valores de los componentes para respaldar el rendimiento de EMC. (Fuente de la tabla: Mornsun)

Conclusión

La selección de la fuente de alimentación de la transmisión de puerta es un paso importante para optimizar la eficiencia y la confiabilidad de los convertidores de potencia IGBT de Si y MOSFET de SiC para aplicaciones de energía verde, como sistemas fotovoltaicos y vehículos eléctricos. Mornsun ofrece varias familias de módulos convertidores de CC-CC con una selección de opciones de voltaje de entrada y salida que se pueden usar para controlar una amplia gama de IGBT de Si y MOSFET de SiC.

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