Alimentations industrielles
Dans le secteur industriel actuel, les alimentations à haute fréquence et à pertes de commutation réduites sont une tendance qui contribue à la réduction des coûts et à l'augmentation de la densité de puissance. Des topologies avancées et de nouvelles stratégies de contrôle, ainsi que des conceptions magnétiques innovantes à haute fréquence, offrent des solutions créatives dans ce secteur. Les semi-conducteurs à large bande interdite offrent des performances optimales au centre de ces conceptions.
Les principales architectures d'alimentation qui relèvent des alimentations industrielles sont les convertisseurs connectés au réseau, les onduleurs solaires, le chauffage par induction, les entraînements de traction/moteur et les onduleurs.
Autres architectures de puissance clés pour les applications industrielles
Efficacité des convertisseurs industriels - Correction du facteur de puissance (PFC)
Le facteur de puissance (FP) est un nombre sans dimension compris entre -1 et 1. Il est défini comme le rapport entre la puissance réelle et la puissance apparente absorbée par la charge. Un facteur de puissance de 1 signifie que 100 % de la puissance est absorbée par la charge. Le PFC est essentiel pour réduire considérablement le gaspillage d'énergie en augmentant le facteur de puissance d'une alimentation. Sans PFC, les blocs d'alimentation tirent le courant par impulsions courtes et de forte amplitude. Avec le PFC, ces impulsions sont lissées afin de réduire le courant quadratique moyen d'entrée et la puissance d'entrée apparente. Cela permet de modeler efficacement le courant d'entrée afin de maximiser la puissance obtenue de l'alimentation.
Les frontaux PFC et les dispositifs semi-conducteurs plus efficaces sont nécessaires pour répondre aux normes d'efficacité de plus en plus strictes. Le tableau ci-dessous présente les spécifications d'efficacité Energy Star 80 Plus. Pour y parvenir, la tendance est de passer de simples ponts redresseurs avec un condensateur encombrant pour lisser les ondulations sur la sortie CC, à la technique plus récente de l'utilisation d'une technologie de pôle Totem qui amènera l'alimentation dans le domaine de l'efficacité de plus de 90 pour cent. Voir le tableau 1, à droite.
Comment y parvenir ? En supprimant le pont de diodes standard et en le remplaçant par une topologie semi-sans pont à double amplification ou par une architecture de type Totem à pont complet à haute fréquence, rendue possible par SiC ou GaN, qui permet d'utiliser des composants environnants plus petits et plus abordables. Voir la figure 1, à droite.
La capacité de fréquence plus élevée des circuits intégrés de puissance SiC permet d'utiliser des composants externes plus petits et moins coûteux dans l'alimentation.
Examinons également une solution PFC à pôle Totem basée sur le GaN. L'exemple de la figure 2 utilise des dispositifs GaN dans la branche à haute fréquence pour améliorer l'efficacité et des MOSFET Si dans la seconde branche à commutation plus lente. En fonction de l'exigence d'efficacité, des diodes ou des MOSFET peuvent être utilisés dans la deuxième branche pour répondre aux besoins de rentabilité.
Nous examinerons également la conception d'un bon filtre EMI entre le mât totem et la source de courant alternatif afin de respecter les normes EMI. Le filtre atténuera le bruit provenant de la commutation à grande vitesse des circuits de correction du facteur de puissance du pôle Totem sans pont (BTP-PFC). Voir la figure 2, à droite.
Les dispositifs de puissance GaN HEMT offriront aux systèmes les avantages d'une densité de puissance élevée avec un filtre EMI et un inducteur compacts, tout en améliorant l'efficacité. Les circuits GaN peuvent être conçus pour fonctionner à haute fréquence, répondre aux exigences EMI et atteindre une densité de puissance et un rendement élevés.
Convertisseurs connectés au réseau
Les convertisseurs connectés au réseau contrôlent le flux d'énergie entre les sorties triphasées de la compagnie d'électricité et les différentes charges ainsi que les dispositifs de stockage d'énergie et de production d'énergie. La conversion d'énergie triphasée AC/DC (ou DC/AC) connectée au réseau est nécessaire dans une large gamme d'applications industrielles, y compris les interfaces électroniques de puissance des systèmes d'énergie renouvelable tels que l'énergie éolienne, solaire et le stockage par batterie.
Pour les applications de puissance bidirectionnelles, les topologies à deux niveaux utilisant des MOSFET SiC présentent une nette amélioration par rapport aux IGBT Si. Les dispositifs de puissance SiC réduisent considérablement les pertes de commutation par rapport aux IGBT 1200V. Les dispositifs SiC étendent également la plage de fréquence de commutation d'une architecture utilisant un convertisseur à deux niveaux et à six commutateurs, ce qui permet de maintenir un rendement plus élevé à pleine charge et à charge partielle. Voir la figure 3, à droite.
Un autre exemple de la façon dont les MOSFET SiC améliorent cette conception par rapport aux IGBT Si est l'augmentation significative de la densité de puissance du système en raison de magnétiques plus petits et d'un dissipateur thermique plus petit ou inexistant. Un autre avantage de la conception d'un MOSFET SiC est que la diode de corps du dispositif (illustrée à la figure 1) peut être utilisée comme diode antiparallèle, ce qui réduit le coût et la complexité du circuit.
Remarque : le MOSFET SiC ne peut transporter qu'un courant positif (MOSFET à n canaux, du drain à la source). Si la charge est inductive, il y a des moments où l'interrupteur (MOSFET) doit être activé, mais le courant circule dans la direction opposée. La diode permet à ce courant de circuler. Si la diode n'est pas utilisée, le courant inductif s'arrête instantanément, ce qui génère des pics de tension élevés.
Convertisseurs connectés au réseau
Les avantages de ce type de topologie utilisant des dispositifs WBG sont les suivants :
- Réduction de la consommation globale d'énergie
- Efficacité accrue
- Amélioration des performances thermiques
- Réduction de la taille et du poids de l'alimentation
Onduleurs DC-AC
Parmi les applications courantes des onduleurs DC-AC, on peut citer les étages d'onduleurs monophasés et triphasés pour les entraînements de moteurs à courant alternatif (figure 5, à droite) et les onduleurs solaires (figure 6, à droite).
Les applications telles que les onduleurs solaires et les entraînements de moteurs à courant alternatif bénéficient grandement de l'utilisation de semi-conducteurs WBG.
Les avantages du WBG en matière d'énergie dans cette conception sont les suivants :
- Complexité réduite des circuits
- Rendement et densité de puissance élevés
- Amélioration des performances thermiques
- Capacité de flux d'énergie bidirectionnel (de la batterie au réseau)
Les alimentations informatiques utilisent le SiC
Les centres de données consomment entre 2 et 4 % de toute l'énergie électrique aux États-Unis. Cela signifie que les blocs d'alimentation IT (ou blocs d'alimentation pour serveurs) feront une énorme différence en termes d'efficacité et de coûts d'exploitation.
Les centres de données consomment une grande quantité d'énergie et de petits pourcentages d'augmentation de l'efficacité se traduisent par d'importantes économies. Le refroidissement d'un centre de données peut représenter jusqu'à 40 % de la facture d'électricité. Les concepteurs d'alimentations intègrent des diodes et des MOSFET SiC, avec d'excellents résultats. Les composants SiC permettent d'atteindre un rendement maximal supérieur à 98,5 %, ce qui réduit considérablement la production de chaleur.
Lorsque les centres de données utilisent des MOSFET et des diodes SiC ou des dispositifs GaN dans leurs conceptions d'alimentation avec PFC, les performances thermiques du serveur s'améliorent suffisamment pour créer une économie de 40 % des coûts d'énergie sur le refroidissement seul. Dans le même temps, les coûts d'exploitation diminuent et la fréquence de commutation augmente pour atteindre une efficacité maximale de plus de 98,5 % et atteindre la norme Titanium 80+. Entre 2010 et 2020, les serveurs équipés de dispositifs SiC auront permis de réaliser 620 milliards de kWh d'économies d'énergie.
Les appareils électroménagers doivent répondre aux exigences élevées d'Energy Star
Prenons l'exemple d'un réfrigérateur et remplaçons cet appareil de technologie ancienne pour qu'il réponde à la norme Energy Star. Ce faisant, les consommateurs peuvent économiser plus de 200 dollars sur les 12 ans de durée de vie de l'appareil.
La conception de dispositifs de puissance GaN et SiC dans une alimentation BTP-PFC permet d'obtenir un rendement supérieur à 95 % avec une perte de 5 % de la chaleur dissipée et perdue. Le GaN et le SiC peuvent améliorer le rendement de plus de 1 % par rapport à cette perte de 5 %. Une amélioration de 1 % du rendement équivaut à une réduction de 10 % de la dissipation de chaleur. Cela se traduit par des dissipateurs de chaleur, des magnétiques et des condensateurs plus petits dans une empreinte réduite sur la carte de circuit imprimé.
Wolfspeed présente les résistances à l'état passant les plus faibles de l'industrie dans un boîtier discret sur la plage de températures de fonctionnement de -40 degrés C à +175 degrés C, les MOSFET SiC de 60 mΩ étant spécifiés pour un RDS(on) de 79 mΩ à 175°C, soit seulement 1,3 fois la valeur nominale à 25 degrés C.
Tableau 1 : Spécifications d'efficacité 80 PLUS
Figure 1 : La figure de gauche est un PFC semi-sans pont à double suralimentation utilisant des circuits intégrés de puissance Si ; la figure de droite est un PFC totem hybride utilisant des dispositifs de puissance SiC (Image de Wolfspeed).
Figure 2 : Un circuit BTP-PFC typique avec filtre EMI (Image de GaN Systems)
Figure 3 : Un étage de puissance de convertisseur à deux niveaux utilisant des MOSFET SiC (Image de Wolfspeed)
Figure 4 : Un convertisseur industriel AC/DC avec PFC suivi d'un convertisseur DC/DC (Image de Wolfspeed)
Figure 5 : Onduleur triphasé pour entraînement de moteur à courant alternatif
Figure 6 : Onduleur solaire
Avantages des dispositifs de puissance WBG par rapport au Si
Les convertisseurs électroniques de puissance traditionnels utilisant des dispositifs de puissance à base de silicium ne seront pas en mesure de répondre aux exigences croissantes en matière de rendement, de largeur de bande de contrôle, de densité de puissance et de fréquence de commutation.
Des fréquences de commutation plus élevées, conduisant à des magnétiques plus petits et à des températures de fonctionnement plus élevées, sont utiles en particulier dans les applications industrielles difficiles.
Lorsque nous comparons le Si au GaN et au SiC, nous constatons certaines propriétés distinctives qui permettent à ces dispositifs de fonctionner à des courants de fuite plus faibles et à des tensions plus élevées. C'est un fait qu'une fréquence opérationnelle plus élevée peut être obtenue grâce à une augmentation de la mobilité des électrons et de la vitesse de saturation des électrons. Par rapport aux dispositifs en Si, les semi-conducteurs WBG ont une concentration intrinsèque de porteurs plus faible (10-35 ordres de grandeur), une conductivité thermique plus élevée (3-13 fois), un champ de claquage électrique plus élevé (4-20 fois) et une vitesse de saturation plus grande (2-2,5 fois).
Le SiC a également une mobilité électronique plus élevée que le Si et le GaN présente une mobilité électronique plus élevée que le Si et le SiC. Cela signifie que le GaN offre les meilleures performances à très haute fréquence. On prévoit que l'écart de prix total entre le SiC/GaN et le Si continuera à diminuer régulièrement. On prévoit également que le GaN offrira un meilleur résultat que le SiC et même le Si en termes de coût supplémentaire dans les applications aux fréquences de commutation les plus élevées.
Examinons la conductivité thermique, qui représente un autre facteur crucial : plus la conductivité thermique est élevée, plus les propriétés de conduction de la chaleur sont efficaces. Le SiC présente une conductivité thermique plus élevée que le GaN ou le Si ; les dispositifs en SiC sont donc théoriquement capables de fonctionner à des densités de puissance plus élevées que les dispositifs en GaN et en Si. En résumé, la conductivité thermique plus élevée, la bande interdite plus large et le champ de claquage plus élevé donnent aux semi-conducteurs SiC l'avantage sur les autres semi-conducteurs dans les applications de haute puissance.
En conclusion, les dispositifs discrets en SiC et GaN évoluent vers des modules à contenu plus élevé qui réduisent le coût, la taille et les performances. Les dispositifs WBG ont fait des progrès significatifs dans le remplacement du Si, offrant les avantages d'une réduction des pertes de commutation, d'un volume de refroidissement plus faible et d'un coût réduit des solutions thermiques.
