Cet article examine l’utilisation des diodes à récupération rapide dans les onduleurs photovoltaïques pour les alimentations sans interruption.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Les onduleurs photovoltaïques (PV) pour les alimentations sans interruption (ASI) sont l’une des applications les plus populaires des IGBTs discrets. Cette application présente une condition de fonctionnement avec un facteur de puissance (PF) plus élevé (PF ~ 1,0) pour laquelle une diode à récupération rapide (FRD) plus petite peut offrir de meilleures performances. La plus petite FRD a des pertes de conduction inverse plus élevées mais contribue à la réduction de Err et Eon. Ainsi, la perte totale de puissance est meilleure qu’une configuration avec une FRD plus grande.
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IGBT Discrets
Une gamme de produits IGBT est utilisée sur le marché de l’électronique de puissance, en particulier sur le marché des convertisseurs de puissance industriels, où de nombreux produits empaquetés discrets sont mis en œuvre. Presque tous les produits IGBT discrets ont une diode co-emballée dans le même emballage pour la conduction de courant inverse.
Figure 1. Dispositif Diodique IGBT co-emballé. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
La diode est obligatoire pour les IGBTs dans les applications d’onduleurs, qui nécessitent la conduction de courant inverse pour alimenter les dispositifs. Les caractéristiques des IGBTs sont très importantes pour l’efficacité du circuit d’onduleur, mais la diode co-emballée est également importante pour la performance et le coût global du dispositif.
Quelle est la capacité de courant des dispositifs discrets ?
Les dispositifs de puissance ont des spécifications maximales absolues pour la tension, le courant et la température. Renesas a une note d’application dédiée à chaque définition de paramètre. Les ingénieurs de conception se réfèrent aux évaluations individuelles de “courant de collecteur IC” et de “courant direct de diode IF” pour trouver le bon dispositif pour leur application. Toutefois, en pratique, comparer le courant maximum dans l’application avec IC et IF n’est pas significatif. Ces valeurs de courant sont des évaluations en courant continu définies par la formule ci-dessous. Le courant réel dans les applications d’onduleurs n’est pas en courant continu.
\[I_{C}\frac{(Tjmax-Tc)}{R_{th(j-c)}\times V_{CE(sat)}}\]
Équation 1. Définition de la capacité en courant continu.
Les IGBTs et les diodes peuvent supporter un courant supérieur aux valeurs de IC et IF tant que la température de jonction ne dépasse pas la valeur de température de jonction maximale (Tj max) et que le courant de crête ne dépasse pas IC(peak) ou IF(peak).
Conditions de fonctionnement des ASI et des onduleurs PV
Les marchés des ASI et des PV sont en pleine expansion, car tous deux contribuent à la réduction des émissions de dioxyde de carbone et possèdent des circuits d’onduleurs nécessitant des solutions de commutation haute tension, telles que les IGBTs discrets.
Dans les circuits d’onduleurs, les IGBTs (et les diodes) fonctionnent avec le contrôle de porte PWM. Leur devoir de conduction dépend du PF. Dans la Figure 2, la zone bleue montre le devoir de conduction de l’IGBT, et la zone verte montre le devoir de la diode. Comme représenté dans la Figure 2, ils ont le même devoir dans le cas où PF=0, et l’aire de conduction de l’IGBT est plus grande que celle de la diode dans les cas où PF>0.
Dans le cas des applications d’ASI et d’onduleurs PV, le PF est presque de +1,0 et ne descend jamais à un niveau inférieur à la condition PF<0. Cela signifie que la tension directe de la diode, qui contribue à la perte de conduction, a un impact minimal sur la performance des systèmes ASI et PV. D’un autre côté, la perte de commutation et la perte de récupération de la diode sont indépendantes du facteur de puissance (PF) et sont au contraire influencées par la fréquence de commutation.
Figure 2. Dépendance du devoir de conduction des IGBTs et des diodes par rapport au PF. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
Pertes de puissance dans les diodes à récupération rapide
Les pertes de conduction dues à VF et les pertes de récupération dues à Qrr sont les facteurs de perte de puissance dans les caractéristiques de la diode. Ils sont en relation de compromis, de telle sorte que si nous concevons la diode pour se concentrer sur une faible perte de récupération, cela a un impact sur la tension directe et vice-versa. Les deux pertes de puissance dépendent de la taille de la puce. En général, une puce plus grande a un VF plus bas et un Qrr plus élevé. La taille de la puce est directement liée à la capacité IF.
Figure 3. Dépendance des caractéristiques de la diode par rapport à la taille de la puce. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
Qrr impacte la perte de commutation de l’IGBT. La configuration de demi-pont de base est illustrée dans la Figure 4. La diode haute côté est en état de conduction avant l’activation de l’IGBT basse côté. Ensuite, le courant de récupération apparaît dans la forme d’onde de courant d’activation, affectant la perte d’activation.
Figure 4. La récupération de la forme d’onde d’activation affecte la perte d’activation. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
Cela indique que pour les ASI et les onduleurs PV, une diode co-emballée de plus petite capacité que l’IGBT pourrait être plus appropriée, car le devoir de conduction de la diode est inférieur à celui de l’IGBT. Une diode plus petite peut aider à réduire la récupération ainsi que la perte d’activation de l’IGBT.
Figure 5. Conditions de simulation des pertes de puissance totales et résultats. Image utilisée avec la permission de Bodo’s Power Systems []
Concept G8H
Renesas a étudié pour déterminer la taille optimale de la diode pour les applications d’ASI et de PV. Renesas a simulé la perte totale de puissance de l’IGBT et de la diode sur la base d’une évaluation des caractéristiques de commutation. Le dispositif est un IGBT de classe 650 V 50 A. Deux tailles différentes de diodes co-emballées, 30 A (plus petite) et 50 A (plus grande), ont été évaluées avec l’IGBT de la même classe de tension. Ces classes de courant se réfèrent aux évaluations IC et IF.
Comme vous pouvez le voir dans la Figure 5, la configuration IGBT + diode plus petite montre des pertes de puissance réduites grâce à la faible perte de récupération et à la faible perte d’activation. Même si la perte de conduction de la diode est plus élevée, la diode plus petite peut contribuer à une amélioration de 2,5 % de l’efficacité. Les coûts de puces de diode peuvent être réduits jusqu’à 20 % avec une puce plus petite pour une solution bien équilibrée en termes de coût et de performance.
À noter qu’une puce plus petite a une capacité IF plus petite et une résistance thermique plus élevée, mais les pertes de puissance de la diode sont suffisamment faibles en raison du faible devoir (Figure 2) et de la Tj de la diode pour ne pas dépasser sa valeur maximale de Tj. Sur la base de ce résultat et des exigences d’application, Renesas a optimisé ses gammes de produits IGBT, comme le montre le Tableau 1, où la diode co-emballée a une capacité de courant plus petite que l’IGBT pour de meilleures performances dans les applications ASI et PV.
Tableau 1. Gammes de la série G8H de Renesas
Numéro de pièce | VCES [V] | IC [A] | IF [A] |
RBN25H125S1FPQ-A0 | 1250 | 25 | 15 |
RBN40H125S1FPQ-A0 | 1250 | 40 | 25 |
RBN75H125S1FP4-A0 | 1250 | 75 | 50 |
RBN40H65T1FPQ-A0 | 650 | 40 | 30 |
RBN50H65T1FPQ-A0 | 650 | 50 | 50 |
RBN75H65T1FPQ-A0 | 650 | 75 | 50 |
Conclusion
Les circuits d’onduleurs dans les applications ASI et PV fonctionnent sous des conditions de PF élevées. Le devoir de conduction de la diode est faible en fonctionnement à PF élevé, donc une diode plus petite devrait être meilleure pour l’efficacité du circuit. Renesas a confirmé cela par simulation des pertes de puissance. Une diode plus petite contribue à la performance totale ainsi qu’à l’amélioration des coûts. De plus, une diode plus petite a une résistance thermique plus élevée, mais les pertes de puissance sont suffisamment réduites en fonctionnement à PF élevé pour maintenir une température de jonction plus faible que la valeur maximale de Tj. Ainsi, une diode avec une capacité IF plus petite peut fonctionner avec un IGBT ayant une capacité IC plus élevée.
La série G8H de Renesas est axée sur les applications ASI et PV. La gamme comprend des diodes plus petites pour améliorer les coûts et l’efficacité. La prochaine génération de séries IGBT discrets de Renesas est actuellement en cours de développement. Renesas prévoit une gamme plus large pour soutenir d’autres applications, telles que les ASI, le PV, les systèmes de recharge EV, les entraînements de moteurs, et plus encore, tout en mettant l’accent sur une amélioration supplémentaire des performances.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [] et est co-écrit par Shinya Ishida et Hiroki Ando, ingénierie d’application de produits haute tension avec Renesas Electronics.