Un tranzistor MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) este un tranzistor cu efect de câmp (FET) cu o poartă izolată, la care tensiunea determină conductivitatea dispozitivului. El este utilizat pentru comutare sau amplificare semnale. În rândurile de față se vor prezenta ce este un MOSFET bazat pe carbură de siliciu, avantajele sale și un exemplu bazat pe STEVAL-DPSTPFC1 (placă de evaluare cu număr de stoc RS 215-0834) care utilizează dispozitive cu carbură de siliciu (SiC) pentru corecția factorului de putere.
Ce sunt tranzistoarele MOSFET bazate pe carbură de siliciu?
MOSFET-urile cu carbură de siliciu sunt dispozitive de comutare la fel ca dispozitivele MOSFET cu siliciu obișnuite, dar cu unele avantaje obținute din utilizarea unui material semiconductor din carbură de siliciu (SiC). Dispozitivele SiC sunt proiectate, procesate și produse la fel ca dispozitivele din siliciu, ceea ce înseamnă că din punct de vedere al costului pentru performanța dispozitivului, acesta este aproximativ comparabil cu componentele bazate pe siliciu.
Comparație structurală asupra SiC MOSFET: TO-247N vs. TO-247-4L
Diferențierea începe atunci când se prezintă avantajele pe care le oferă dispozitivele SiC: temperatura de funcționare a joncțiunii mai mare în comparație cu dispozitivele din siliciu, de ordinul a 200°C față de o valoare tipică de 150°C, ceea ce înseamnă că dispozitivele pot fi „forțate mai tare”; o tensiune de blocare mai mare pe joncțiunea drenă-sursă – ST oferă dispozitive cu o tensiune de breakdown de până la 1700V chiar și pentru cele mai solicitante aplicații; pierderi mai mici de comutare cu variații minime de temperatură pentru aplicațiile care trebuie să comute la frecvențe înalte; și rezistență scăzută la starea de pornire, care rămâne constantă în intervalul de temperatură de funcționare a dispozitivului.
Comutația de mare viteză reduce pierderea (TO-247N vs. TO-247-4L)
Aceste avantaje fac din dispozitivele SiC un competitor puternic pentru a înlocui dispozitivele tradiționale din siliciu, în special având în vedere pierderile de comutare mai mici și rezistența ON scăzută, care rămâne constantă – ceea ce înseamnă că se poate gestiona o putere mai mare pe aceeași pastilă față de cazul unor dispozitive bazate pe siliciu.
Adesea, MOSFET-urile SiC includ încă un pin de sursă suplimentar pe componenta încapsulată, diferențiindu-le pe cele două ca sursă de alimentare și sursă de driver. Acest pin de sursă suplimentar permite curentului de întoarcere a driverului să ajungă mai rapid la sursa MOSFET (mulțumită inductanței parazite minime), îmbunătățind și mai mult viteza de comutare a unui dispozitiv SiC.
Dispozitivele SiC sunt, tipic, direcționate către aplicații care necesită semiconductori de înaltă performanță, cum ar fi convertoare de bord pentru vehicule electrice, invertoare fotovoltaice, convertizoare de putere și unități industriale, variatoare de frecvență, aplicații de tracțiune, surse de curent continuu de înaltă tensiune și stații de încărcare pentru vehicule electrice – adică, pe scurt, acolo unde spațiul este la mare preț și este nevoie de o densitate mare de putere.
De ce este nevoie de corecția factorului de putere (PFC)?
Corecția factorului de putere (PFC) este necesară în special pentru sarcini electrice mai mari, cum ar fi sursele de alimentare mari, motoare și convertizoare. Pentru a oferi o definiție generală, factorul de putere este raportul dintre puterea de lucru (măsurată în wați) și puterea aparentă (măsurată în volți-amperi).
Un factor de putere ideal are o valoare de 1.0 – uzual pentru sarcini rezistive, cum ar fi becurile cu incandescență sau încălzitoarele rezistive. O sarcină cu un factor de putere mai mic de 1.0 cauzează pierderi într-un sistem de distribuție a energiei, ducând la creșterea sarcinii echipamentului de distribuție și a costurilor asociate cu furnizarea de energie. Prin urmare, o îmbunătățire minoră a factorului de putere poate avea o reducere semnificativă a pierderilor, deoarece pierderile sunt proporționale cu pătratul curentului.
Un exemplu care demonstrează foarte bine factorul de putere și efectele sale este un motor monofazat. Curentul de magnetizare al motorului nu este în fază cu tensiunea; această diferență de fază este cea care face ca arborele motorului să se rotească. Este de remarcat că valoarea curentului de magnetizare nu contribuie la puterea de lucru utilă a motorului, astfel încât beneficiul îmbunătățirii factorului de putere poate fi văzut imediat.
De exemplu, motorul monofazat ar putea avea un consum de curent de 10A cu un factor de putere de 0.75, ceea ce conduce la un curent util de 7.5A. Prin urmare, puterea totală utilă de la motor este de 230V × 7.5A = 1.725kW, ceea ce înseamnă că au mai rămas 2.5A care nu contribuie la puterea utilă de ieșire, dar trebuie să fie furnizați cei 10A.
Prin urmare, adăugarea unui sistem de corecție a factorului de putere la un motor ar putea reduce consumul total de curent al motorului prin modificarea fazei curente în raport cu tensiunea. IET (Institution of Engineering and Technology – www.theiet.org) oferă un articol care analizează mai în detaliu corecția factorului de putere și modul în care factorul de putere poate fi îmbunătățit (John Ware – Power Factor Correction).
Consumatorii mari, cum ar fi fabricile, ar putea fi facturați mai mult dacă prezintă un factor de putere slab la rețea. Unii furnizori de energie ar putea oferi chiar stimulente sub formă de prețuri mai mici la energie, dacă un consumator poate avea un factor de putere bun, de obicei peste 0.9 până la 0.95.
Kit de proiect de referință
Nr. stoc RS 215-0834 – Producător STMicroelectronics – Cod de producător STEVAL-DPSTPFC1
Kitul de proiect de referință STEVAL-DPSTPFC1 (nr. stoc RS: 215-0834) include tot ceea ce este necesar pentru a începe evaluarea MOSFET-urilor SiC ST într-o aplicație PFC. Pe placă există toate componentele necesare pentru limitarea curentului de pornire și PFC, inclusiv cele două MOSFET-uri SiC, două SCR-uri și toate celelalte componente de sprijin.
MOSFET-urile SiC asigură comutația pentru corecția factorului de putere, care este locul în care cea mai mare parte a puterii ar fi disipată în mod normal, deoarece această secțiune funcționează continuu pentru a furniza ieșirea de înaltă tensiune DC; apoi tiristoarele SCR sunt utilizate pentru a gestiona limitarea curentului de pornire.
De asemenea, este furnizată o sursă de alimentare tip flyback (convertoare cu transfer indirect) pentru a genera nivelele de tensiune necesare pe placă, inclusiv două surse izolate pentru SCR și o sursă izolată care alimentează microcontrolerul, senzorul de curent și alte circuite de control și alimentează suplimentar două drivere MOSFET izolate.
De asemenea, în kit este inclusă o placă de microcontroler care conține un STM32F334 (nr. stoc RS 196-2026). Seria de microcontrolere STM32F3x4 este proiectată special cu caracteristici care vizează aplicațiile de conversie digitală a puterii, inclusiv D-SMPS, sisteme de iluminat, sudare, invertoare pentru sisteme fotovoltaice și încărcătoare fără fir.
Caracteristicile notabile ale liniei de microcontrolere STM32F3x4 includ un subsistem de temporizator de înaltă rezoluție format din șase temporizatoare capabile de un interval de 217 ps, cu zece ieșiri PWM (care pot fi cuplate în perechi), zece intrări pentru evenimente externe (cum ar fi limita de curent, detecție tensiune nulă / curent nul) și cinci intrări de eroare.
Sunt incluse, de asemenea, trei comparatoare ultra-rapide care necesită doar 26ns de la citirea pe intrarea analogică la oprirea PWM – utile pentru implementarea unei opriri hardware la supracurent sau supratensiune. În plus, este inclus și un amplificator operațional cu cinci valori de amplificare selectabile încorporate, oferind o precizie de 1%.
Caracteristici placă de dezvoltare
Placa de evaluare proiect de referință STEVAL-DPSTPFC1 (nr. stoc RS 215-0834) are o intrare nominală de 85-264VAC, 45-65Hz și este capabilă să solicite până la 16A/3,6kW de la intrarea de la rețea – acest lucru merită remarcat dacă alegeți să evaluați placa folosind o priză standard. Ieșirea maximă de la placă este de 420 VDC la 9 A, cu o intrare de 230 VAC, iar curentul de ieșire este aproximativ înjumătățit la 4A pentru o intrare de 110 VAC, așa cum este de așteptat.
Circuitul PFC de de pe placă are un factor de putere mare de cel puțin 0,99 în intervalul de intrare testat de 110-240VAC 50/60Hz, iar cifrele de randament sunt la fel de impresionante – randament de cel puțin 92% cu o intrare de 110VAC 60Hz.
Cifrele totale ale distorsiunii armonice sunt la fel de bune, cu cea mai mică cifră THD de 3,5% la 230V 50Hz.
Operare placă de dezvoltare
Funcționarea plăcii constă dintr-un număr de pași discreți pentru a asigura limitarea curentului de pornire și pornirea ușoară a circuitului de corecție a factorului de putere (PFC). Acest lucru se realizează prin reducerea solicitării componentelor, pentru a limita curentul de pornire.
Limitarea curentului de pornire ar trebui implementată pe echipamentele cu un curent nominal de intrare RMS mai mic de 16A, pentru a fi conform cu standardul IEC 61000-3-3 – aceasta stabilește limitări pentru schimbările de tensiune și fluctuațiile cauzate de curenții de pornire, care pot provoca pâlpâiri nedorite sau variații de luminozitate în dispozitivele de iluminare și afișaje.
De obicei, curentul de pornire este implementat cu două relee și un rezistor NTC care limitează curentul inițial de pornire și este apoi scurtcircuitat de unul dintre relee. Aceasta este o modalitate oarecum ineficientă de a efectua limitarea curentului de pornire și, în timp, rezistența rezistorului NTC crește cu fiecare ciclu – dăunând și mai mult eficienței circuitului de limitare a curentului.
Imaginea de mai sus demonstrează modul în care circuitul SCR efectuează limitarea curentului de pornire, prin încărcarea progresivă a capacității magistralei HVDC la tensiunea de vârf a formei de undă AC.
Firmware-ul furnizat de ST implementează două metode diferite selectabile de limitare a curentului de pornire: SCR fix cu întârziere și SCR variabil cu întârziere. SCR fix cu întârziere implică menținerea întârzierii la care SCR este pornit pentru o valoare fixă sau un multiplu al acesteia, ceea ce conduce la vârfuri de curent mai mari la intrarea de 230 V, care pot varia de la ciclu la ciclu.
SCR variabil cu întârziere implică modificarea întârzierii la pornirea dispozitivelor SCR conform unui tabel de căutare, care ia în considerare un model al tensiunii de intrare a liniei de curent alternativ AC. Acest lucru are ca rezultat un curent mediu de linie mai scăzut, cu vârfuri de curent care mediază aceeași valoare de la ciclu la ciclu.
După ce procedura de limitare a curentului de pornire s-a încheiat, controlerul PFC este apoi cuplat pentru a duce magistrala HVDC la tensiunea finală de ieșire de 400VDC.
Rutina de gestionare a pornirii progresive a PFC (soft – start) este executată la fiecare trecere prin zero a intrării AC, pentru a crește ușor și apoi stabiliza magistrala HVDC.
Odată finalizate limitarea curentului de pornire și pornirea lină a PFC, controlerul PFC funcționează apoi într-un mod constant. Aceasta include controlul unui vârf de curent care este prezent la trecerea prin zero a intrării AC, protecție la supracurent utilizând DAC și comparatoare pe cip, blocarea curentului pe bobina de șoc a PFC și protecție la supratensiune HVDC.
Două bucle de control plus o buclă cu calare de fază (PLL) asigură sistemul de control digital. O buclă de tensiune exterioară este responsabilă pentru stabilizarea tensiunii de ieșire HVDC, iar o buclă de control a curentului mai rapidă supraveghează modelarea curentului inductorului PFC la unda sinusoidă a sursei de curent alternativ. În cele din urmă, PLL este responsabil pentru menținerea întregii bucle de control PFC sincronizate cu ciclul de alimentare.
Proiectarea buclei de control
Proiectarea buclei de control nu este o sarcină ușoară, dar ST a făcut procesul substanțial mai ușor pentru această sarcină particulară, oferind și o descriere completă a proiectării controlerului în manualul utilizatorului. Manualul utilizatorului acoperă, de asemenea, teoria detaliată a funcționării și include scheme complete, precum și alegeri ale componentelor utilizate în cadrul proiectului de referință STEVAL-DPSTPFC1.
În articol au fost prezentate MOSFET-urile bazate pe carbură de siliciu (SiC) și de ce sunt ele o soluție de dorit pentru aplicații de putere și tensiune ridicate, de ce este importantă corecția factorului de putere, precum și un exemplu de referință utilizând placa de evaluare ST STEVAL-DPSTPFC1 pentru un circuit de corecție a factorului de putere de 3,6kW. Oferta completă de dispozitive semiconductoare și kituri de dezvoltare cu acestea de la Aurocon COMPEC o puteți găsi la https://ro.rsdelivers.com/.
Autor: Bogdan Grămescu
Aurocon Compec – https://www.compec.ro
