Dans ma pratique du VTT, il m’arrive de prendre des risques calculés. Pour m’améliorer, je dois me pousser à franchir des obstacles plus rapidement, augmenter ma vitesse et prendre des virages plus serrés tout en conservant assez d’énergie pour une fin de parcours tout en puissance. J’ai beau faire preuve d’une certaine audace, je suis loin d’être un casse-cou capable d’exécuter de fantastiques sauts par-dessus les canyons (figure 1) comme les vététistes expérimentés que l’on peut voir dans les vidéos de Red Bull Rampage sur YouTube. À chaque étape de mon parcours, mon objectif est de combler l’écart entre mes performances réelles et mon potentiel.

Figure 1 : un vététiste sautant entre deux grands rochers (Source : anatoliy_gleb – stock.adobe.com)

Tout comme dans le VTT, les applications industrielles fonctionnent mieux avec plus de puissance et d’efficacité. Un bon moyen de les renforcer est l’utilisation de la technologie à large bande interdite (ou WBG en anglais). Cette technologie est en constante évolution. Les offres se multiplient sur le marché et à des prix bien plus abordables qu’il y a encore quelques années. Dans cet article de blog, nous allons voir pourquoi les produits au carbure de silicium (SiC) de Littelfuse s’avèrent un choix idéal pour des applications qui pourraient tirer parti d’un bon boost sur le plan de l’efficacité, de la fiabilité et de la gestion thermique.

MOSFET SiC de Littelfuse

Tous les MOSFET SiC Littelfuse sont optimisés pour les applications à haute fréquence et haut rendement (figure 2) avec une faible charge de grille, une faible capacité de sortie et une faible résistance de grille pour la commutation à haute fréquence, ainsi qu’une faible résistance drain-source à l’état passant. La faible charge de grille et la faible résistance à l’état passant de ces MOSFET se traduisent par des pertes de conduction et de commutation plus faibles. Littelfuse conçoit, développe et fabrique en interne des MOSFET SiC à faibles charge de grille et capacité de sortie qui offrent une grande résistance à toutes les températures et comptent parmi les plus performants de l’industrie. Les MOSFET SiC Littelfuse sont disponibles dans une variété de boîtiers, de configurations et de classes de tension et de courant, ce qui permet de les utiliser dans une multitude d’applications industrielles, notamment les entraînements de moteur, les onduleurs photovoltaïques (PV), les systèmes d’alimentation non interruptible (UPS) et les convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC).

Figure 2 : les MOSFET SiC apportent un gain d’efficacité à des applications telles que les entraînements de moteur, les onduleurs PV, les UPS et les MMC (Source : romaset – stock.adobe.com)

Prenons pour exemple un cas d’utilisation concret. Il s’agit ici de concevoir une alimentation auxiliaire à découpage (SMPS) de 60 W performante à moindre coût. Grâce à un dispositif de 1 700 V comme le MOSFET SiC LSIC1MO170E0750 à canal N de Littelfuse (figure 3), l’alimentation est en mesure d’accepter une large gamme de tensions d’entrée de 300 V à 1 kV.

Figure 3 : le MOSFET SiC à canal N LSIC1MO170E0750 présente une résistance de charge de grille faible et une résistance à l’état passant ultra-faible pour des applications de commutation à haute fréquence (Source : Mouser Electronics)

Quelques points à prendre en compte dans la conception d’alimentations auxiliaires industrielles

Une alimentation auxiliaire se doit de rester simple dans sa conception, au risque de compromettre la fiabilité du système. La topologie flyback à commutateur unique est peu coûteuse, possède une structure simple et compte peu de composants. C’est précisément ce qui en fait le choix le plus courant pour une alimentation de faible puissance CC-CC. Or, opter pour des MOSFET au silicium pour une topologie flyback à commutateur unique pour une alimentation auxiliaire peut poser plusieurs problèmes. Dans une topologie flyback, le dispositif de commutation de puissance doit être capable de supporter une tension totale du système comprenant l’alimentation d’entrée la plus élevée, les effets induits par le transformateur, la tension réfléchie secondaire et les effets liés à l’agencement du circuit.

Avec une entrée de 1 000 V, la tension de crête sur un dispositif de commutation de puissance peut facilement dépasser les 1 200 V. Il semble difficile dans ce cas de trouver un MOSFET Si présentant les tensions de blocage appropriées. Un MOSFET Si 1 500 V n’offre qu’une faible marge et pose des problèmes de fiabilité. En revanche, les MOSFET Si 2 000 V offrent une marge qui paraît suffisante. Cependant, leur résistance à l’état passant spécifique est beaucoup plus élevée que pour les MOSFET à basse tension, ce qui entraîne une perte d’efficacité du convertisseur et complique la gestion de la chaleur. En conséquence, des solutions de refroidissement plus élaborées peuvent s’avérer nécessaires, même pour une application à faible conversion de puissance. De plus, les MOSFET Si d’une tension supérieure à 2 000 V sont aussi beaucoup plus chers. Bref, pour utiliser des MOSFET Si de 1 500 V ou moins, il faut passer à une autre topologie, par exemple le flyback à deux commutateurs. L’inconvénient de cette dernière solution est qu’elle augmente à la fois la complexité de la conception et le nombre de composants du convertisseur.

La solution : le MOSFET SiC 1 700 V_DS, 750 mΩ

L’apparition des MOSFET SiC 1 700 V offre une solution utilisant une simple topologie flyback à commutateur unique afin d’obtenir une large plage de tension d’entrée. La tension de claquage de 1 700 V offre une marge suffisante même pour une tension d’entrée de 1 000 V. La résistance à l’état passant spécifique d’un MOSFET SiC de 1 700 V est largement inférieure à celle des MOSFET Si de 2 000 V ou plus.

De même, les pertes de commutation des MOSFET SiC sont elles aussi inférieures à celles des MOSFET Si. Des pertes de commutation plus faibles offrent en outre la possibilité d’augmenter la fréquence de commutation de l’alimentation auxiliaire de façon à réduire la taille et le poids du transformateur.

Le boîtier TO-247 dans lequel il est livré offre une grande surface et une bonne conductivité thermique pour une gestion thermique plus simple qu’avec les boîtiers plus petits pour appareils basse tension.

Semiconducteurs à large bande (WBG) pour les solutions d’alimentation industrielle

Les MOSFET SiC à large bande interdite de Littelfuse permettent aux concepteurs de faire un grand pas pour combler l’écart entre l’efficacité réelle et l’efficacité potentielle de leurs solutions d’alimentation. Et une chose est sûre : il leur sera désormais plus facile de combler cet écart que pour moi de sauter en VTT par-dessus le prochain fossé.