Soluzione per alimentazione ausiliaria basata su MOSFET SiC per convertitori di potenza industriali

Di Farhan Beg, Christian Felgemacher, Aly Mashaly

ROHM Semiconductor GmbH

I vantaggi offerti dal Silicon Carbide (SiC) rispetto al Silicio (Si), per quanto riguarda il raggiungimento di frequenze di commutazione più elevate e la bassa resistenza in conduzione, sono stati ampiamente riconosciuti. La maggior parte dei benefici sono associati con le proprietà materiali superiori del SiC rispetto al Si. Tuttavia, c’è un malinteso generale nella comunità ingegneristica che le sfide associate alla progettazione e alla scelta di un ambiente operativo ottimale (pilotaggio del gate e scelta dei componenti passivi) ne riducono i vantaggi limitando così l’usabilità dei dispositivi SiC. Per evidenziare i vantaggi dell’utilizzo del SiC e per illustrare la semplicità a livello di applicazione, è stato progettato un alimentatore ausiliario da 100 W, aggiornamento della versione già esistente a 40 W, che è disponibile per la valutazione. Il progetto si basa sul SiC MOSFET ROHM SCT2H12N170 V e il controller per Flyback quasi-risonante BD7682FJ.

Topologia Flyback quasi risonante per l’uso nell’alimentatore ausiliario

Continuando la tendenza a raggiungere maggiore efficienza e ridurre i disturbi EMI, gli ingegneri elettronici di potenza di oggi si trovano spesso di fronte al dilemma di scegliere se pilotare i MOSFET ai loro limiti di velocità di commutazione e quindi migliorare il l’efficienza assumendo che i picchi di corrente e tensione siano adeguatamente controllati o di stare lontani dalle reali capacità di commutazione del MOSFET al fine di garantire il rispetto delle norme EMI applicabili. Un alimentatore ausiliario basato sul convertitore Flyback viene spesso utilizzato per la sua semplice progettazione e l’efficacia dei costi e la modalità quasi-risonante garantisce una riduzione delle perdite di switching del MOSFET, con conseguente miglioramento dell’efficienza .Un tipico convertitore è costituito da una blocco ausiliario che genera le tensioni di controllo necessarie per il corretto funzionamento del convertitore di potenza.

Figura 1: Schema a blocchi di un convertitore di potenza con evidenziato l’alimentatore ausiliario. Figura 1 mostra uno schema a blocchi di un convertitore di potenza con l’alimentatore ausiliario
Figura 1: Schema a blocchi di un convertitore di potenza con evidenziato l’alimentatore ausiliario. Figura 1 mostra uno schema a blocchi di un convertitore di potenza con l’alimentatore ausiliario

Figura 1 mostra uno schema a blocchi di un convertitore di potenza con l’alimentatore ausiliario collegato al bus DC rettificato. Il compito dell’unità di alimentazione ausiliaria è quello di generare le tensioni isolate (12 V, 24 V) necessarie per il funzionamento delle unità di controllo e le periferiche del convertitore di potenza. A seconda dell’applicazione e delle condizioni di funzionamento, la parte di alimentazione ausiliaria potrebbe generare 5 V o 12 V o 24 V. Nel caso di alimentatori industriali, l’alimentatore ausiliario genera tipicamente 24 V che viene utilizzata direttamente dai ventilatori di raffreddamento e/o viene ulteriormente convertita a tensioni più basse mediante convertitori DC-DC per l’utilizzo da parte di controller o altre periferiche. 

Figura 2: Convertitore Flyback come unità di potenza ausiliaria
Figura 2: Convertitore Flyback come unità di potenza ausiliaria

Figura 2 mostra lo schema di massima di un convertitore Flyback con la sua alimentazione dal bus DC rettificato. La tensione del bus DC rettificata può variare da 300 V a 900 V e quindi il controller per il convertitore Flyback deve garantire un funzionamento quasi risonante nell’intera gamma della tensione di ingresso. A seconda della tensione di ingresso, del rapporto spire del trasformatore e della tensione di uscita, potrebbe essere necessario che il MOSFET sia in grado di sostenere tensioni fino a 1500 V. Supponendo un margine di sicurezza, un MOSFET da 1700 volt sarebbe la scelta più logica. Anche se sono disponibili MOSFET o IGBT al silicio con rating di tensione così elevati i vantaggi nell’utilizzo di MOSFET SiC derivano dalla minore resistenza nello stato di conduzione e da una velocità di commutazione più elevata. 

Questo porta a miglioramenti significativi dell’efficienza che ha un impatto diretto nel dimensionamento del dissipatore di calore e quindi porta allo sviluppo di sistemi più compatti e più piccoli. Si potrebbe evitare l’uso di MOSFET con tensioni di breakdown così elevate utilizzando una topologia flyback con due switch o una connessione in serie di MOSFET a più bassa tensione ma entrambe le soluzioni rendono il progetto più complesso e non accettabile per questione di costi. L’utilizzo di MOSFET SIC da 1700 V consente al progettista di utilizzare la topologia basata su un singolo switch più semplice e allo stesso tempo di ottenere prestazioni di maggiore efficienza grazie a prestazioni di commutazione e conduzione superiori dei MOSFET SiC. ROHM Semiconductor offre una vasta gamma di 1700 V SiC MOSFET che sono anche qualificati AEC garantendo l’usabilità nelle applicazioni automobilistiche.

Realizzazione dell’alimentatore da 100 W utilizzando SiC e BD7682FJ Flyback Controller IC

Figura 374

Il BD7682FJ è un IC per la gestione di una topologia Flyback quasi-risonante che può potenzialmente essere utilizzato in combinazione con una vasta gamma di MOSFET SIC disponibili sul mercato. Il BD7682FJ si occupa del controllo del circuito e gestisce il pilotaggio del gate del MOSFET SiC garantendo al contempo il blocco del gate e le funzioni di protezione dal sovraccarico per il MOSFET. Figura 3 mostra il circuito per l’unità di alimentazione ausiliaria, ottenuta dalla combinazione del MOSFET SiC e del controller BD7682FJ. L’alimentatore ausiliario che si ottiene ha potenza di uscita di 100 W con tensione di uscita di 24 V. In figura 4 viene mostrato il prodotto finale che può essere utilizzato a scopo di test e di valutazione. Il controller BD7682FJ IC viene utilizzato per pilotare  il MOSFET SiC da 1700 V – SCT2H12N – in modalità quasi-risonante che riduce al minimo le perdite di commutazione e aiuta a mantenere basse le emissioni EMI. Efficienze elevate anche in condizione di carico ridotto sono assicurate dalla modalità operativa in burst del controllore e da una riduzione della frequenza.


Figura 5 mostra le forme d’onda dell’alimentatore in diverse condizioni di carico. In condizioni di carico leggero (non mostrato nella figura), il controller commuta il MOSFET in modalità burst al fine di migliorare l’efficienza e a carichi più elevati il MOSFET viene commutato nella valle della tensione oscillante al fine di ridurre le perdite di commutazione. In condizioni di carico molto elevate la frequenza diminuisce leggermente per consentire un aumento del tempo di conduzione dell’interruttore primario. Al di sopra del limite massimo di potenza impostato dai resistori per la misura della corrente, la protezione over-current è abilitata al fine di proteggere il sistema dal surriscaldamento.

figura 6

La figura 6 mostra il grafico di efficienza del convertitore in un’ampia gamma di condizioni operative. Come previsto l’efficienza aumenta con l’aumento della potenza di uscita, ma mostra una diminuzione marginale con l’aumento della tensione di ingresso. Per questo circuito le perdite di commutazione del MOSFET SIC aumentano con un aumento della tensione di ingresso, la peggiore condizione di perdita di commutazione per il MOSFET è a 900 V di tensione di ingresso. Nel complesso, si ottiene un’efficienza di picco del 92 % che dimostra i vantaggi dell’utilizzo della tecnologia SiC in questa applicazione. Il grafico di figura 7 mostra la temperatura del MOSFET SiC che è stato misurato per essere di 98°C con una tensione di ingresso di 900 V che porta ad una temperatura di giunzione ben al di sotto del limite del limite massimo dl dispositivo che è di 175°C.

figura8

La versione corrente della scheda di valutazione consente il funzionamento con tensioni di ingresso DC nell’intervallo da 300 V a 900 V. Con l’aggiunta di una unità di rettifica all’ingresso del PCB può essere azionata anche con una alimentazione AC a 3 fasi di 400/480 V. Per l’applicazione finale, tuttavia, è necessario implementare anche un filtro adeguato per rispettare le norme EMI applicabili.

L’uso di SiC ha permesso lo sviluppo di un alimentatore ausiliario efficiente e semplice rispetto al design basato sul silicio. Recentemente ROHM Semiconductor ha annunciato l’aggiunta di 4 nuovi IC nel suo portafoglio di controller AC/DC con un integrato 1700 V 4 A SiC MOSFET. Lo sviluppo di questi IC rende la progettazione di un alimentatore ausiliario molto più semplice in quanto i passivi che circondano l’IC possono essere facilmente scelti in base a determinate fasi di progettazione. Questi IC integrati sono disponibili nel package TO220-6M, come mostrato in Fig.8 (IN vio e esono gli ultimi nella lista dei controllori quasi risonantiche consentonounmoltoelevata flessibilità nella progettazione.

In futuro, verrà rilasciata una nota applicativa con una descrizione dettagliata del circuito per la scheda di valutazione di una unità da 100 W 24 V con un elenco di componenti corrispondente. La scheda di valutazione per l’unità di alimentazione ausiliaria può essere ottenuta contattando direttamente ROHM Semiconductor.

Per maggiori informazioni: https://www.rohm.com/ 

Irma Garioni