Wide Bandgap: Como o WBG pode proporcionar eficiência de primeira

Como entusiasta de mountain bike, assumo riscos calculados. Para melhorar meu desempenho, devo me esforçar para pular obstáculos mais rapidamente, aumentar minha velocidade e cortar curvas mais apertadas, ao mesmo tempo em que economizo energia para uma finalização forte. Apesar de aventureiro, estou longe de ser um aventureiro que tenta e consegue fazer saltos fantásticos no desfiladeiro (Figura 1) como os habilidosos ciclistas de mountain bike nos vídeos do Red Bull Rampage no YouTube. Em cada etapa da corrida, meu objetivo é diminuir a distância entre meu desempenho real e meu potencial.

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Figura 1: Ciclista pulando de bicicleta entre duas pedras gigantes. (Fonte: anatoliy_gleb – stock.adobe.com)

Assim como o mountain bike, as aplicações industriais são sempre melhores com maior eficiência e potência. Uma das maneiras pelas quais essa lacuna está sendo superada é empregando a tecnologia Wide Bandgap. A tecnologia Wide Bandgap está melhorando constantemente, e mais ofertas estão se tornando disponíveis e mais acessíveis do que apenas alguns anos atrás. Este blog discutirá como os produtos Littelfuse Silicon Carbide (SiC) são ideais para aplicações onde são desejadas melhorias na eficiência, confiabilidade e gerenciamento térmico.

MOSFETs Littelfuse SiC

Todos os MOSFETs Littelfuse SiC são otimizados para aplicações de alta frequência e alta eficiência (Figura 2). Esses MOSFETs SiC oferecem baixa carga no gate, baixa capacitância de saída e baixa resistência de gate para comutação de alta frequência. Esses dispositivos também apresentam baixa resistência no estado da fonte de drenagem. A baixa carga de gate e a resistência desses MOSFETs se traduzem em menores perdas de condução e comutação. A Littelfuse oferece MOSFETs SiC projetados, desenvolvidos e fabricados internamente com baixa carga de gate e capacitância de saída, desempenho líder do setor e robustez em todas as temperaturas. Os MOSFETs Littelfuse SiC vêm em uma variedade de encapsulamentos, configurações e classes de tensão e corrente. As aplicações industriais típicas que podem se beneficiar do uso de SiC-MOSFETs incluem acionamentos de motor, inversores solares fotovoltaicos (PV), sistemas de fonte de alimentação ininterrupta (UPS) e conversores multiníveis modulares.

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Figura 2: Aplicações que se beneficiam dos SiC-MOSFETs devido ao aumento da eficiência incluem acionamentos de motor, inversores solares fotovoltaicos, sistemas UPS e conversores modulares de vários níveis. (Fonte: romaset – stock.adobe.com)

Vejamos mais de perto um exemplo específico. É um caso de uso relacionado ao design de baixo custo e alto desempenho de uma fonte de alimentação auxiliar de modo comutado (SMPS) de 60W. Usando um dispositivo de classe 1700V, como SiC MOSFETs da Littelfuse, especificamente com o LSIC1MO170E0750 N-Channel SiC MOSFET (Figura 3), permitiu que a fonte de alimentação aceitasse uma ampla faixa de tensões de entrada de 300V a 1kV.

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Figura 3: LSIC1MO170E0750 N-Channel SiC MOSFET oferece baixa resistência à carga de gate e ultrabaixa resistência para aplicações de comutação de alta frequência. (Fonte: Mouser Electronics)

Considerações de projeto de fonte de alimentação auxiliar industrial

Um projeto simples de baixa complexidade e alta confiabilidade é necessário para garantir que a alimentação auxiliar não se torne um fator limitante para a confiabilidade do sistema. A topologia flyback de switch único é a seleção mais comum para conversão DC-DC de baixa potência devido à sua estrutura simples, menor número de componentes e baixo custo. No entanto, existem vários desafios para selecionar MOSFETs de silício para uma topologia flyback de switch único para aplicações de fonte de alimentação auxiliar. Em uma topologia flyback, o dispositivo de comutação de energia deve ter a capacidade de tensão para suportar uma tensão total do sistema que aborda a fonte de entrada mais alta, efeitos induzidos por transformador, tensão refletida secundária e efeitos de arranjo/layout do circuito.

Na entrada de 1.000 V, a tensão de pico em um dispositivo de comutação de energia pode ser facilmente superior a 1.200 V, dificultando a seleção de MOSFETs de silício (Si) com tensões de bloqueio adequadas. Um MOSFET Si de 1500V terá uma margem baixa e levantará problemas de confiabilidade. Si MOSFETs classificados em 2000V e acima podem fornecer uma margem suficiente. Ainda assim, a resistência específica no estado é muito maior do que os MOSFETs de baixa tensão, reduzindo a eficiência do conversor e comprometendo o gerenciamento de calor. Essa consequência pode exigir soluções de resfriamento mais extensas, mesmo para uma aplicação de baixa conversão de energia. Além disso, o custo dos MOSFETs Si com classificação >2000V é muito maior. Flyback de dois comutadores ou outras topologias devem ser empregadas para usar Si MOSFETs com classificação de 1500V e inferior. No entanto, a complexidade do projeto e as contagens de componentes do conversor aumentarão significativamente em uma topologia flyback de dois comutadores.

Solução: 1700VDS, 750mΩ SiC MOSFET

A introdução de MOSFETs de 1700V SiC fornece uma solução possível usando uma topologia flyback simples de comutador único para tais aplicações para alcançar uma ampla faixa de tensão de entrada. A tensão de ruptura de 1700V fornece margem de tensão suficiente mesmo para tensão de entrada de 1000V. A resistência específica de um MOSFET SiC de 1.700 V é muito menor do que a de um dispositivo de 2.000 V e MOSFETs de classificação acima.

Além disso, os MOSFETs SiC têm perdas de comutação mais baixas em comparação com os MOSFETs Si. Perdas de comutação mais baixas também oferecem uma opção para aumentar a frequência de comutação da fonte de alimentação auxiliar para reduzir o tamanho e o peso do transformador.

O encapsulamento TO-247 fornecido também fornece uma grande área de superfície e boa condutividade térmica para gerenciamento térmico mais simples do que pacotes de contorno menores para dispositivos de baixa tensão.

WBG para soluções de fornecimento de energia industrial

Com os MOSFETs SiC Wide Bandgap da Littelfuse, os projetistas podem diminuir a diferença com uma margem maior para obter suas soluções de fornecimento de energia e eficiência. Uma coisa é certa. É muito mais fácil fechar essa lacuna do que pular com minha bicicleta no meu próximo abismo.

Artigo escrito por Paul Golata e publicado no blog da Mouser Electronics: How WBG Is a Step Toward Efficiency Being “1”

Traduzido por Equipe Embarcados.Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

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