스위치 모드 전원 공급 장치(SMPS)의 효율성과 견고성으로 인해 전기 자동차(EV) 충전소, 태양광 인버터 및 산업용 모터 드라이브와 같은 애플리케이션에 특히 적합합니다. 그러나 더 높은 작동 전압 및 전류, 더 낮은 전도 및 열 손실, 더 콤팩트한 외관에 대한 요구로 인해 설계자는 고급 SiC(탄화규소) MOSFET 기술을 채택해야 합니다. 최고의 전력 변환 시스템을 만들기 위해서는 이 기술을 MOS 게이트 사이리스터 및 고속 복구 브리지 정류기와 신중하게 결합해야 합니다.
이 기사에서는 전기 자동차 충전소를 예로 들어 SMPS의 요구 사항을 설명합니다. 그런 다음 IXYS/Litelfuse의 SiC MOSFET을 소개하고 성능을 조사했으며, 다양한 장치 기술(각각 특정 회로 기능에 최적화됨)을 결합하여 보다 효율적이고 컴팩트한 전력 변환 시스템을 만드는 방법을 시연했습니다.
고속 공공 전기 자동차 충전소를 예로 사용한 최신 SMPS 개요
효율성은 SMPS의 특징이지만 최신 고전력 애플리케이션은 이러한 설계를 새로운 극한으로 끌어올리고 있습니다. 최대 350kW의 전력을 제공하는 3레벨 시스템과 같은 공공 직류(DC) 고속 충전소의 요구 사항을 고려하십시오. 1% 효율 손실은 3.5kW의 전력을 낭비하는 것과 같으며, 운영 비용과 열 부하가 크게 증가합니다.
고성능 SiC MOSFET은 더 높은 효율을 달성하기 위한 핵심입니다. 낮은 온 저항을 유지하면서 고주파수 스위칭을 수행할 수 있어 더 작은 수동 부품을 사용할 수 있고 변환 손실을 줄일 수 있습니다. 불행하게도 이러한 요인으로 인해 SiC MOSFET은 과도 전압 서지에 취약해집니다. 따라서 효율적인 설계에는 보다 발전된 보호 체계가 필요한 경우가 많습니다.
또한 SiC MOSFET은 3레벨 충전소의 모든 부분에 최적의 솔루션이 아닙니다. 예를 들어, 공공 충전소에는 냉각수 펌프, 네트워크 통신 및 기타 시스템 기능을 위한 보조 전원 시스템이 필요합니다. 주 충전 경로가 중단되더라도 이러한 시스템은 계속 작동해야 합니다. 이 경우 신뢰성이 높은 실리콘(Si) 다이오드 장치가 더 나은 선택일 수 있습니다.
DC급속충전소 각 부분의 요구사항을 이해하고 적절한 장비 기술을 신중하게 선택하는 것이 필요하다.
저저항 SiC MOSFET을 사용하여 고전력 DC-DC 변환 달성
3레벨 고속 충전소의 DC-DC 변환 단계는 최신 SMPS 설계가 직면한 과제를 보여줍니다. 최대 1kV의 높은 출력 전압으로 인해 이 단계에서는 전통적으로 고전압 실리콘 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT) 또는 고전압 실리콘 카바이드 MOSFET을 사용해야 합니다. 두 방법 모두 효율 손실이 발생합니다. IGBT는 스위칭 손실이 높은 반면 일부 초기 SiC MOSFET은 전도 손실이 상대적으로 높습니다. 예를 들어 일부 초기 고전압 SiC MOSFET의 온 저항(RDS(ON))은 약 100mΩ이었습니다.
Littelfuse IXSJxxN120R1 SiC MOSFET 시리즈는 이 문제에 대한 확실한 솔루션을 제공합니다. 이 제품 시리즈는 1200V의 높은 차단 전압과 18mΩ의 낮은 RDS(ON)를 제공합니다. 이러한 낮은 저항 특성은 전도 손실을 최소화하고 우수한 열 성능을 달성할 수 있습니다.
이 장치는 2500VAC(1분)의 절연 전압 성능을 갖춘 절연 세라믹 패키지로 제공됩니다. 이 설계는 방열판의 표유 정전 용량을 최소화하여 방열판의 열 저항을 줄이고 전자기 간섭(EMI)을 최소화합니다. 동시에 통합을 용이하게 하는 친숙한 TO-247-3L 패키지를 채택합니다.
IXSJ43N120R1이 일반적인 예입니다(그림 1). +25°C에서 장치의 정격 연속 드레인 전류 ID는 45A이고 RDS(ON)는 36mΩ(일반 값)입니다. 또한 79nC의 낮은 게이트 전하와 2453pF의 입력 정전 용량을 제공하므로 더 작은 자석을 사용하는 설계에 적합합니다.
Littelfuse IXSJ43N120R1 1200V SiC MOSFET 이미지
그림 1: IXSJ43N120R1 1200V SiC MOSFET은 +25°C에서 정격 연속 드레인 전류 ID가 45A이고 RDS(ON)가 36mΩ(일반 값)인 분리형 TO-247-3L 패키지를 채택합니다. (이미지 출처: Littelfuse)
IXSJxxN120R1 시리즈는 고전압 차단 기능을 유지하면서 전도 손실을 줄여 설계자가 컨버터 토폴로지를 단순화하고 열 오버헤드를 줄이며 전체 시스템 효율성을 극대화할 수 있도록 해줍니다.
액티브 프런트엔드 성능에서 스위치 손실 최소화
DC 고속 충전소의 다른 부분에서는 스위치 손실이 저항보다 더 중요할 수 있습니다. 액티브 프런트 엔드는 AC 전력을 DC 전력으로 변환하고 PFC(역률 보정) 및 고조파 왜곡 요구 사항을 충족하도록 전류 파형을 형성합니다. 인덕터와 필터의 크기를 최소화하기 위해 이 단계에서 더 높은 스위칭 주파수에 의존하기 때문에 스위칭 손실은 전체 효율에서 중요한 역할을 합니다.
Littelfuse의 LSIC1MO120E SiC MOSFET 계열은 이러한 고주파 응용 제품에 맞게 최적화되었습니다. 이 장치는 1200V 차단 기능과 낮은 동적 손실을 결합하여 DC 고속 충전소 및 기타 그리드 연결 시스템의 PFC 부스트 컨버터에 매우 적합합니다.
예를 들어 +25°C에서 LSIC1MO120E0080(그림 2)의 정격 연속 드레인 전류(II)는 39A, R(DSON)은 80mΩ(일반 값), 사이클당 스위칭 에너지는 252μJ입니다. 확장된 접합 온도 범위는 -55°C ~ +175°C이므로 넓은 환경 조건의 실외 설치에 추가 설계 마진을 제공합니다.