Alimentatori industriali
Nel settore industriale odierno, gli alimentatori con capacità di alta frequenza e perdite di commutazione ridotte rappresentano una tendenza di potenza che contribuisce a ridurre i costi e ad aumentare la densità di potenza. Topologie avanzate e nuove strategie di controllo, nonché progetti innovativi di magneti ad alta frequenza, offrono soluzioni creative in questo settore. I semiconduttori ad ampio bandgap forniscono prestazioni ottimali al centro di questi progetti.
Alcune architetture di potenza chiave che rientrano negli alimentatori industriali sono i convertitori collegati alla rete, gli inverter solari, il riscaldamento a induzione, gli azionamenti di trazione/motore e gli UPS.
Alcune altre architetture di potenza chiave per le applicazioni industriali
Efficienza dei convertitori industriali - Correzione del fattore di potenza (PFC)
Il fattore di potenza (PF) è un numero adimensionale che va da -1 a 1 ed è definito come il rapporto tra la potenza reale e la potenza apparente assorbita dal carico. Un PF pari a 1 significa che il 100% della potenza viene assorbita dal carico. Il PFC è fondamentale per ridurre notevolmente lo spreco di energia aumentando il fattore di potenza di un alimentatore. Senza PFC, gli alimentatori assorbono corrente in impulsi brevi e di elevata intensità. Con il PFC, questi impulsi vengono attenuati per ridurre la corrente quadratica media in ingresso (RMS) e la potenza apparente in ingresso. In questo modo la corrente di ingresso viene modellata in modo efficace per massimizzare la potenza realizzata dall'alimentatore.
I front-end PFC e i dispositivi a semiconduttore più efficienti sono necessari per soddisfare standard di efficienza sempre più elevati. La tabella seguente mostra le specifiche di efficienza Energy Star 80 Plus. Per raggiungere questo obiettivo, la tendenza è quella di passare da semplici raddrizzatori a ponte con un condensatore ingombrante per attenuare le ondulazioni sull'uscita CC, alla tecnica più recente di utilizzare una tecnologia a Totem che porterà l'alimentatore a un'efficienza superiore al 90%. Vedere la Tabella 1, a destra.
Come fare? Eliminando il ponte di diodi standard e sostituendolo con una topologia Dual-boost semi-bridgeless o con un'architettura Full-bridge Totem pole ad alta frequenza, abilitata da SiC o GaN, che consente l'uso di componenti circostanti più piccoli ed economici. Si veda la Figura 1, a destra.
La capacità di frequenza più elevata dei circuiti integrati di potenza SiC consente di utilizzare componenti esterni più piccoli e meno costosi nell'alimentazione.
Vediamo anche una soluzione PFC a Totem basata su GaN. L'esempio della Figura 2 utilizza dispositivi GaN nel tratto a più alta frequenza per migliorare l'efficienza e MOSFET Si nel secondo tratto a commutazione più lenta. A seconda dei requisiti di efficienza, è possibile utilizzare diodi o MOSFET nel secondo tratto per soddisfare le esigenze di efficienza economica.
Inoltre, esamineremo un buon progetto di filtro EMI tra il Totem e la sorgente CA, in modo da soddisfare gli standard EMI. Il filtro attenuerà il rumore della commutazione ad alta velocità dei circuiti Bridgeless Totem Pole-Power Factor Correction (BTP-PFC). Si veda la Figura 2, a destra.
I dispositivi di potenza GaN HEMT offriranno al sistema i vantaggi di un'elevata densità di potenza con un filtro EMI e un induttore compatti, migliorando al contempo l'efficienza. I circuiti GaN possono essere progettati per funzionare ad alta frequenza, soddisfare i requisiti EMI e raggiungere un'elevata densità di potenza e un'alta efficienza.
Convertitori collegati alla rete
I convertitori collegati alla rete controllano il flusso di energia tra le uscite trifase dell'azienda elettrica e i vari carichi, nonché i dispositivi di accumulo e generazione di energia. La conversione di potenza AC/DC (o DC/AC) trifase connessa alla rete è necessaria in un'ampia gamma di applicazioni industriali, comprese le interfacce elettroniche di potenza dei sistemi di energia rinnovabile come l'eolico, il solare e le batterie di accumulo.
Per le applicazioni di potenza bidirezionali, le topologie a due livelli che utilizzano MOSFET SiC presentano un netto miglioramento rispetto agli IGBT Si. I dispositivi di potenza SiC riducono notevolmente le perdite di commutazione rispetto agli IGBT a 1200V. I dispositivi SiC estendono inoltre l'intervallo di frequenza di commutazione di un'architettura che utilizza un convertitore a due livelli e sei interruttori, mantenendo un'efficienza più elevata a pieno carico e a carico parziale. Si veda la Figura 3, a destra.
Un altro esempio di come i MOSFET SiC migliorino questo progetto rispetto agli IGBT Si è un significativo aumento della densità di potenza del sistema grazie a magneti più piccoli e a un dissipatore di calore più piccolo o assente. Un altro vantaggio di un progetto con MOSFET SiC è che il diodo di corpo del dispositivo (mostrato nella Figura 1) può essere utilizzato come diodo antiparallelo, riducendo così il costo e la complessità del circuito.
Nota: il MOSFET SiC può trasportare solo corrente positiva (MOSFET a canale n, dal drain al source). Se il carico è induttivo, ci sono momenti in cui l'interruttore (MOSFET) deve essere acceso, ma la corrente scorre in direzione opposta. Il diodo dà a questa corrente un percorso per fluire. Se il diodo non viene utilizzato, la corrente induttiva cessa istantaneamente, generando picchi di tensione elevati.
Convertitori collegati alla rete
I vantaggi di questo tipo di topologia che utilizza i dispositivi WBG sono i seguenti:
- Riduzione del consumo energetico complessivo
- Maggiore efficienza
- Migliori prestazioni termiche
- Riduzione delle dimensioni e del peso dell'alimentatore
Inverter DC-AC
Le implementazioni più comuni di inverter CC-AC comprendono stadi di inverter monofase e trifase per azionamenti di motori CA (Figura 5, a destra) e inverter solari (Figura 6, a destra).
Applicazioni come gli inverter solari e gli azionamenti dei motori CA traggono grande vantaggio dall'uso dei semiconduttori WBG.
I vantaggi della potenza WBG in questo progetto sono:
- Minore complessità del circuito
- Alta efficienza e densità di potenza
- Migliori prestazioni termiche
- Capacità di flusso di energia bidirezionale (da batteria a rete)
Gli alimentatori IT utilizzano SiC
I data center consumano tra il 2% e il 4% di tutta l'energia elettrica degli Stati Uniti. Ciò significa che gli alimentatori IT (o alimentatori per server) faranno un'enorme differenza in termini di efficienza e costi operativi.
I data center consumano una grande quantità di energia e piccoli aumenti di efficienza si traducono in grandi risparmi. Il raffreddamento di un data center può consumare fino al 40% della bolletta elettrica. I progettisti di alimentatori stanno integrando diodi e MOSFET SiC, con risultati eccellenti. I componenti SiC consentono un'efficienza di picco superiore al 98,5% che riduce drasticamente la generazione di calore.
Quando i data center impiegano MOSFET e diodi SiC o dispositivi GaN nei loro progetti di alimentatori con PFC, le prestazioni termiche dei server migliorano in misura tale da generare un risparmio del 40% sui costi energetici per il solo raffreddamento. Nel frattempo, i costi operativi diminuiranno e la frequenza di commutazione aumenterà fino a raggiungere un'efficienza di picco superiore al 98,5% per ottenere lo standard Titanium 80+. Nel periodo compreso tra il 2010 e il 2020, i server dotati di dispositivi SiC avranno contribuito al risparmio energetico di 620 miliardi di kWh.
Gli elettrodomestici devono soddisfare le severe valutazioni di Energy Star
Prendiamo un frigorifero e sostituiamolo con uno di vecchia tecnologia per soddisfare la classificazione Energy Star. In questo modo, i consumatori possono risparmiare oltre 200 dollari nei 12 anni di vita dell'apparecchio.
La progettazione con dispositivi di potenza GaN e SiC in un alimentatore BTP-PFC consente di ottenere un'efficienza superiore al 95% con una perdita del 5% di calore dissipato e sprecato. Il GaN e il SiC possono determinare un aumento dell'efficienza superiore all'1% rispetto alla perdita del 5%. L'1% di miglioramento dell'efficienza equivale a una riduzione del 10% della dissipazione di calore. Questo porta a dissipatori, magneti e condensatori più piccoli con un ingombro ridotto sulla scheda PC.
Wolfspeed presenta le più basse resistenze di accensione del settore in un contenitore discreto in un intervallo di temperature operative compreso tra -40 e +175 gradi C, con i MOSFET SiC da 60 mΩ specificati per una RDS(on) di 79 mΩ a 175°C, appena 1,3 volte superiore a quella nominale a 25 gradi C.
Tabella 1: Specifiche di efficienza 80 PLUS
Figura 1: La figura a sinistra è un PFC dual-boost semi-bridgeless che utilizza circuiti integrati di potenza Si; la figura a destra è un PFC ibrido a totem con dispositivi di potenza SiC (Immagine da Wolfspeed)
Figura 2: Un tipico circuito BTP-PFC con filtro EMI (immagine da GaN Systems)
Figura 3: Uno stadio di potenza del convertitore a due livelli che utilizza MOSFET SiC (immagine da Wolfspeed)
Figura 4: Un AC/DC industriale con PFC seguito da un convertitore di potenza DC/DC (immagine da Wolfspeed)
Figura 5: Stadio inverter trifase per azionamento motore CA
Figura 6: Inverter solare
Vantaggi dei dispositivi di potenza WBG rispetto a Si
I convertitori elettronici di potenza tradizionali che utilizzano dispositivi di potenza a base di Si non saranno in grado di soddisfare le crescenti richieste di maggiore efficienza, larghezza di banda di controllo, densità di potenza e frequenza di commutazione.
Frequenze di commutazione più elevate, che comportano magneti più piccoli e temperature di esercizio più elevate, sono utili soprattutto nelle applicazioni industriali gravose.
Se confrontiamo il Si con il GaN e il SiC, troviamo alcune proprietà distintive che consentono a questi dispositivi di funzionare a correnti di dispersione inferiori e tensioni più elevate. È un dato di fatto che una frequenza operativa più elevata può essere ottenuta attraverso un aumento della mobilità degli elettroni e della velocità di saturazione degli elettroni. Rispetto ai dispositivi Si, i semiconduttori WBG hanno una concentrazione intrinseca di portatori più bassa (10-35 ordini di grandezza), una conducibilità termica più elevata (3-13 volte), un campo di rottura elettrico più alto (4-20 volte) e una velocità di saturazione maggiore (2-2,5 volte).
Il SiC ha anche una mobilità elettronica superiore a quella del Si, mentre il GaN presenta una mobilità elettronica superiore sia al Si che al SiC. Ciò significa che il GaN offre le migliori prestazioni a frequenze molto elevate. Si prevede che il divario di prezzo totale tra SiC/GaN e Si continuerà a diminuire costantemente. Si prevede inoltre che il GaN offrirà un risultato migliore rispetto al SiC e persino al Si in termini di costi aggiuntivi nelle applicazioni a più alta frequenza di commutazione.
Un altro fattore cruciale è la conduttività termica: maggiore è la conduttività termica, più efficienti sono le proprietà di conduzione del calore. Il SiC presenta una conducibilità termica più elevata rispetto al GaN o al Si; pertanto i dispositivi in SiC sono teoricamente in grado di funzionare a densità di potenza più elevate rispetto ai dispositivi in GaN e Si. In sintesi, la maggiore conducibilità termica, il bandgap più ampio e il campo di breakdown più elevato danno ai semiconduttori SiC un vantaggio rispetto agli altri dispositivi a semiconduttore nelle applicazioni ad alta potenza.
In conclusione, i dispositivi discreti SiC e GaN si stanno spostando verso moduli a più alto contenuto che abbassano i costi, riducono le dimensioni e migliorano le prestazioni. I dispositivi WBG hanno fatto passi da gigante nella sostituzione del SiC, offrendo i vantaggi di una riduzione delle perdite di commutazione, di un minor volume di raffreddamento e di una riduzione dei costi delle soluzioni termiche.
