कई तकनीकी तरीकों का उपयोग करके एसएमपीएस दक्षता का अनुकूलन

स्विच मोड बिजली आपूर्ति (एसएमपीएस) की दक्षता और मजबूती उन्हें इलेक्ट्रिक वाहन (ईवी) चार्जिंग स्टेशन, सौर इनवर्टर और औद्योगिक मोटर ड्राइव जैसे अनुप्रयोगों के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाती है। हालाँकि, उच्च ऑपरेटिंग वोल्टेज और करंट, कम चालन और गर्मी के नुकसान और अधिक कॉम्पैक्ट उपस्थिति की आवश्यकता के कारण, डिजाइनरों को उन्नत सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) MOSFET तकनीक को अपनाना होगा। सर्वोत्तम बिजली रूपांतरण प्रणाली बनाने के लिए इस तकनीक को एमओएस गेटेड थाइरिस्टर और फास्ट रिकवरी ब्रिज रेक्टिफायर के साथ सावधानीपूर्वक जोड़ा जाना चाहिए।

यह लेख एसएमपीएस की आवश्यकताओं को रेखांकित करने के लिए इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग स्टेशनों को एक उदाहरण के रूप में लेता है। फिर, IXYS/Litelfuse के SiC MOSFETs को पेश किया गया, उनके प्रदर्शन की जांच की गई, और एक अधिक कुशल और कॉम्पैक्ट पावर रूपांतरण प्रणाली बनाने के लिए विभिन्न डिवाइस प्रौद्योगिकियों (प्रत्येक विशिष्ट सर्किट कार्यों के लिए अनुकूलित) को कैसे संयोजित किया गया, इसका प्रदर्शन किया गया।

उदाहरण के तौर पर तेज़ सार्वजनिक इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग स्टेशनों का उपयोग करते हुए आधुनिक एसएमपीएस का अवलोकन
दक्षता एसएमपीएस की एक प्रमुख विशेषता है, लेकिन आधुनिक उच्च-शक्ति अनुप्रयोग इन डिज़ाइनों को नए चरम पर ले जा रहे हैं। सार्वजनिक डायरेक्ट करंट (डीसी) फास्ट चार्जिंग स्टेशनों की आवश्यकताओं पर विचार करें, जैसे कि 350 किलोवाट तक की शक्ति वाला 3-स्तरीय सिस्टम। 1% दक्षता हानि 3.5 किलोवाट बिजली बर्बाद करने के बराबर है, जिससे परिचालन लागत और थर्मल भार काफी बढ़ जाता है।

उच्च दक्षता प्राप्त करने के लिए उच्च प्रदर्शन SiC MOSFET मूल है। वे कम प्रतिरोध बनाए रखते हुए उच्च-आवृत्ति स्विचिंग कर सकते हैं, जिससे छोटे निष्क्रिय घटकों के उपयोग की अनुमति मिलती है और रूपांतरण हानि कम हो जाती है। दुर्भाग्य से, ये कारक SiC MOSFETs को क्षणिक वोल्टेज वृद्धि के प्रति संवेदनशील बनाते हैं। इसलिए, कुशल डिज़ाइन के लिए अक्सर अधिक उन्नत सुरक्षा योजनाओं की आवश्यकता होती है।

इसके अलावा, SiC MOSFET 3-स्तरीय चार्जिंग स्टेशन के प्रत्येक भाग के लिए इष्टतम समाधान नहीं है। उदाहरण के लिए, सार्वजनिक चार्जिंग स्टेशनों को शीतलक पंप, नेटवर्क संचार और अन्य सिस्टम कार्यों के लिए एक सहायक बिजली प्रणाली की आवश्यकता होती है। भले ही मुख्य चार्जिंग पथ बाधित हो, इन प्रणालियों को चालू रहना चाहिए। इस मामले में, उच्च विश्वसनीयता वाले सिलिकॉन (Si) डायोड डिवाइस एक बेहतर विकल्प हो सकते हैं।

डीसी फास्ट चार्जिंग स्टेशन के प्रत्येक भाग की आवश्यकताओं को समझना और उचित उपकरण तकनीक का सावधानीपूर्वक चयन करना आवश्यक है।

उच्च-शक्ति DC-DC रूपांतरण प्राप्त करने के लिए कम प्रतिरोध SiC MOSFET का उपयोग करना
3-स्तरीय फास्ट चार्जिंग स्टेशन का डीसी-डीसी रूपांतरण चरण आधुनिक एसएमपीएस डिजाइन के सामने आने वाली चुनौतियों को प्रदर्शित करता है। 1 किलोवोल्ट (केवी) तक के उच्च आउटपुट वोल्टेज के कारण, इस चरण में पारंपरिक रूप से उच्च-वोल्टेज सिलिकॉन इंसुलेटेड गेट बाइपोलर ट्रांजिस्टर (आईजीबीटी) या उच्च-वोल्टेज सिलिकॉन कार्बाइड एमओएसएफईटी के उपयोग की आवश्यकता होती है। दोनों विधियों के परिणामस्वरूप दक्षता हानि होती है: IGBT में उच्च स्विचिंग हानि होती है, जबकि कुछ प्रारंभिक SiC MOSFETs में अपेक्षाकृत उच्च चालन हानि होती है। उदाहरण के लिए, कुछ प्रारंभिक उच्च-वोल्टेज SiC MOSFETs का ऑन प्रतिरोध (RDS (ON)) लगभग 100 m Ω था।

Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET श्रृंखला इस समस्या का एक ठोस समाधान प्रदान करती है। उत्पादों की इस श्रृंखला में अवरोधक वोल्टेज 1200 वोल्ट जितना ऊंचा और आरडीएस (ओएन) 18 मीटर Ω जितना कम है। यह कम प्रतिरोध विशेषता चालन हानि को कम कर सकती है और उत्कृष्ट थर्मल प्रदर्शन प्राप्त कर सकती है।

इन उपकरणों को 2500 VAC (1 मिनट) की आइसोलेशन वोल्टेज क्षमता के साथ पृथक सिरेमिक में पैक किया गया है। यह डिज़ाइन हीट सिंक के थर्मल प्रतिरोध को कम करता है और हीट सिंक की आवारा क्षमता को कम करके विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) को कम करता है। साथ ही, यह परिचित TO-247-3L पैकेज को अपनाता है, जो एकीकरण की सुविधा प्रदान करता है।

IXSJ43N120R1 एक विशिष्ट उदाहरण है (चित्र 1)। +25 डिग्री सेल्सियस पर डिवाइस की रेटेड निरंतर ड्रेन करंट आईडी 45 ए है, और आरडीएस (ओएन) 36 मीटर Ω (सामान्य मूल्य) है। इसमें 79 एनसी का कम गेट चार्ज और 2453 पीएफ का इनपुट कैपेसिटेंस है, जो इसे छोटे मैग्नेट वाले डिज़ाइन के लिए उपयुक्त बनाता है।

लिटलफ्यूज IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET छवि
चित्र 1: IXSJ43N120R1 1200 V SiC MOSFET एक पृथक TO-247-3L पैकेज को अपनाता है, जिसमें 45 A की रेटेड निरंतर ड्रेन करंट आईडी और +25 ° C पर 36 m Ω (सामान्य मान) का RDS (ON) होता है। (छवि स्रोत: लिटलफ्यूज)

IXSJxxN120R1 श्रृंखला उच्च वोल्टेज अवरोधक क्षमता को बनाए रखते हुए चालन हानि को कम करती है, जिससे डिजाइनरों को कनवर्टर टोपोलॉजी को सरल बनाने, थर्मल ओवरहेड को कम करने और समग्र सिस्टम दक्षता को अधिकतम करने में सक्षम बनाया जाता है।

सक्रिय फ्रंट-एंड प्रदर्शन में स्विच हानि को कम करें
डीसी फास्ट चार्जिंग स्टेशन के अन्य हिस्सों में, प्रतिरोध की तुलना में स्विच हानि अधिक महत्वपूर्ण हो सकती है। सक्रिय फ्रंट-एंड एसी पावर को डीसी पावर में परिवर्तित करता है और पावर फैक्टर करेक्शन (पीएफसी) और हार्मोनिक विरूपण की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए वर्तमान तरंग को आकार देता है। इंडक्टर्स और फिल्टर के आकार को कम करने के लिए इस चरण में उच्च स्विचिंग आवृत्तियों पर निर्भरता के कारण, स्विचिंग नुकसान समग्र दक्षता में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं।

लिटलफ्यूज़ की LSIC1MO120E SiC MOSFET श्रृंखला को इन उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए अनुकूलित किया गया है। ये उपकरण 1200 वोल्ट अवरोधक क्षमता और कम गतिशील नुकसान को जोड़ते हैं, जो उन्हें डीसी फास्ट चार्जिंग स्टेशनों और अन्य ग्रिड कनेक्टेड सिस्टम में पीएफसी बूस्ट कन्वर्टर्स के लिए अत्यधिक उपयुक्त बनाते हैं।

उदाहरण के लिए, +25 डिग्री सेल्सियस पर LSIC1MO120E0080 (चित्र 2) का रेटेड निरंतर ड्रेन करंट (II) 39 A है, R (DSON) 80 m Ω (सामान्य मान) है, और प्रति चक्र स्विचिंग ऊर्जा 252 µ J है। विस्तारित जंक्शन तापमान रेंज -55 डिग्री सेल्सियस से +175 डिग्री सेल्सियस तक है, जो बड़ी पर्यावरणीय स्थितियों के साथ बाहरी प्रतिष्ठानों के लिए अतिरिक्त डिज़ाइन मार्जिन प्रदान करता है।