Cet article présente une analyse prix-performance de la topologie de correction du facteur de puissance en totem par rapport à d’autres topologies.
Ce article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec Bodo’s Power Systems.
Les applications d’alimentation électrique industrielle comme les télécommunications et les serveurs nécessitent des solutions efficaces et rentables. Cet article présente une analyse prix-performance de la topologie de correction du facteur de puissance (PFC) en totem (TP) par rapport à la topologie interleaved boost ou la TP-PFC avec Mosfet SiC et rectification synchrone.
L’efficacité et la densité de puissance sont des considérations critiques dans les alimentations industrielles, notamment dans les applications de télécommunication et de serveurs qui fonctionnent 24h/24 et 7j/7 en continu. Cela a motivé les concepteurs de convertisseurs de puissance à développer des topologies et à utiliser des technologies de semi-conducteurs qui permettent des systèmes plus petits, plus légers et plus puissants avec des coûts de possession réduits. Les nouvelles exigences réglementaires et de classement énergétique ont également fixé des normes d’efficacité plus élevées. La certification d’efficacité 80 Plus devient rapidement un standard largement accepté pour les alimentations. Cependant, une étape de PFC est essentielle pour répondre aux exigences réglementaires des normes harmoniques. Cela peut entraîner des pertes supplémentaires et augmenter les coûts du système. Pour y remédier, les circuits PFC doivent utiliser des topologies de convertisseur qui offrent une efficacité, des performances et un coût optimaux. L’IGBT hybride CoolSiC dans une topologie TP-PFC sans pont peut répondre aux exigences de grade 80 Plus Titanium, permettant aux fabricants d’alimentations d’atteindre une plus grande efficacité tout en respectant les exigences réglementaires à un coût réduit.
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Les unités d’alimentation utilisent généralement une conception à deux étages comprenant une étape de PFC AC-DC et une étape convertisseur DC-DC mise en œuvre dans diverses configurations. La carte d’évaluation EVAL_3KW_2LLC_CFD7 d’Infineon comprend une étape convertisseur DC-DC utilisant une configuration LLC à deux phases offrant une efficacité de 98% sur l’ensemble de la plage de charge et permettant une utilisation fiable de la topologie LLC en demi-pont (HB) avec des avantages thermiques significatifs. L’étage PFC AC-DC utilise couramment la topologie classique boost qui ne nécessite qu’un seul interrupteur de puissance actif. Cependant, l’étage de redresseur à diode en pont complet précédant l’étage PFC boost représente une part importante des pertes totales dans l’étage PFC. L’étage PFC boost interleaved est utilisé à des niveaux de puissance plus élevés pour améliorer l’efficacité de l’alimentation. Cependant, il nécessite plus de composants, y compris plusieurs inducteurs et interrupteurs de puissance, ce qui augmente le coût du système. Pour surmonter la limitation de la topologie boost, la topologie TP sans pont peut être adoptée. L’utilisation de l’hybride CoolSiC dans cette topologie offre une solution très efficace et rentable pour les applications d’alimentation à mode commuté (SMPS) à haute puissance.
Hybride CoolSiC 650 V
Les hybrides CoolSiC offrent deux avantages significatifs par rapport aux IGBT conventionnels équipés de diodes co-emballées à base de silicium :
- Réduction significative des pertes de commutation
- Amélioration de la compatibilité électromagnétique (CEM)
L’hybride CoolSiC ne subit pas la récupération inverse de la diode, réduisant les pertes dans l’IGBT et la diode. Son énergie de mise en marche et ses pentes de commutation sont presque indépendantes de la température. Les données mesurées dans la Figure 1 indiquent que l’énergie de commutation totale peut être réduite de moitié par rapport à un IGBT conventionnel co-emballé avec une diode Si.
Figure 1. Comparaison entre la perte d’énergie de mise en marche de l’hybride CoolSiC (IKW50N65RH5) et un TRENCHSTOP 5 conventionnel (IKW50N65H5). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
PFC Totem-Pole avec Hybrides CoolSiC
Un PFC TP sans pont utilise généralement des dispositifs à large bande interdite (WBG) dans la branche haute fréquence (HF) et une rectification synchrone, utilisant des MOSFET en silicium (Si) avec un RDS(on) très faible dans la branche basse fréquence (LF) pour atteindre une efficacité supérieure. Cela entraîne une augmentation significative du coût du système. Le mode de conduction continue (CCM) TP sans pont requiert un fonctionnement de diode à faibles pertes avec une performance de récupération inverse rapide du dispositif de commutation utilisé dans la branche HF.
Figure 2. PFC TP sans pont avec dispositifs hybrides et diodes de redressement conventionnelles dans la branche LF. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
L’IGBT hybride CoolSiC combine les avantages d’une diode SiC et d’un IGBT en silicium à commutation rapide, offrant une amélioration significative des performances de commutation. Il maintient la fréquence de commutation élevée requise pour des formats plus petits et procure des coûts système inférieurs comparés aux solutions avec dispositifs WBG. De plus, comme l’IGBT dans l’hybride CoolSiC est un dispositif unidirectionnel, le courant inverse passe à travers la diode Shottky SiC du duo pack, simplifiant le schéma de pilotage, contrairement à un TP sans pont utilisant des dispositifs WBG et un rectificateur synchrone avec MOSFET Si à faible RDS(on).
Évaluation du Système et Résultats
Une simulation PLECS a été réalisée pour vérifier les performances de l’hybride CoolSiC dans TP-PFC. Les résultats de la simulation étaient les suivants :
- Boost interleaved avec IGBT-si à commutation rapide et diode SiC: pertes de puissance plus élevées comparées à l’hybride CoolSiC dans un TP sans pont
- TP-PFC avec rectification synchrone utilisant un MOSFET Si 18 mΩ dans la branche LF et MOSFET SiC 48 mΩ dans la branche HF: pertes de puissance significativement plus faibles, notamment pour les charges légères à moyennes
- TP-PFC sans pont avec l’hybride CoolSiC dans la branche HF et un redresseur (BR) conventionnel 25 A dans la branche LF: les dispositifs semi-conducteurs avaient des pertes de puissance totales inférieures comparées au PFC boost interleaved traditionnel à raison de la perte de conduction plus faible dans les diodes du redresseur.
La Figure 3 montre une comparaison entre les trois scénarios.
Figure 3. Simulation PLECS des pertes de puissance dans les dispositifs semi-conducteurs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Figure 4. Efficacité du TP avec hybride CoolSiC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les résultats de la simulation ont été vérifiés par des mesures expérimentales présentées dans la Figure 4. Les courbes d’efficacité testées à une fréquence de commutation de 65 kHz ont révélé que le TP sans pont avec hybride CoolSiC offrait une meilleure efficacité sur l’ensemble de la plage de charge par rapport au PFC interleaved conventionnel, avec une efficacité de crête dépassant 98%.
De plus, une analyse des coûts a indiqué qu’un TP-PFC mis en œuvre avec l’hybride CoolSiC pourrait être 12% moins cher qu’un PFC interleaved conventionnel. En effet, dans ce cas, le TP-PFC ne nécessite qu’un seul inducteur et deux dispositifs hybrides au lieu de deux inducteurs, deux diodes Schottky SiC et deux interrupteurs principaux nécessaires pour le PFC boost interleaved. Les coûts du système du TP-PFC avec une solution WBG sont considérablement plus élevés en raison des composants coûteux.
Enfin, une analyse expérimentale a été réalisée sur un système complet comprenant un TP-PFC et un LLC à deux phases connectés en série. Les mesures ont indiqué une efficacité de 93, 94,28, 96,02 et 95,6% respectivement à des charges de 10, 20, 50 et 100%. Cette mesure de l’efficacité du système global confirme que le TP-PFC répond à la certification 80 Plus Titanium avec une efficacité de pointe supérieure à 96%, et son efficacité à pleine charge et à charge légère est bien au-dessus des spécifications pour le grade 80 Plus Titanium.
Résultats : Analyse Prix-Performance de la Topologie TP PFC
Lors de l’évaluation et de la validation des avantages en termes d’efficacité et de coût d’une topologie TP sans pont utilisant des IGBT hybrides CoolSiC 650 V, les résultats montrent que la TP-PFC avec hybrides CoolSiC et diodes de redressement offre une meilleure efficacité et un coût matériel système inférieur comparé au PFC boost interleaved conventionnel. Elle répond au grade 80 Plus Titanium avec une efficacité de pointe supérieure à 96%, fournissant le meilleur ratio prix-performance pour les alimentations électriques industrielles en fonctionnement continu sur une longue période.
Cet article est initialement paru dans Bodo’s Power Systems magazine [PDF] et est co-écrit par Syeda Qurat ul ain Akbar et Jaeeul Yeon de Infineon Technologies Austria AG.