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Dans l'électronique de puissance moderne, les pertes par commutation sont l'un des facteurs les plus critiques affectant l'efficacité
du système. Avec l'augmentation des fréquences de commutation dans les onduleurs pour véhicules électriques, les entraînements
industriels et les systèmes d'énergie renouvelable, les ingénieurs doivent évaluer soigneusement les pertes dans les MOSFET et le
comportement de commutation.
Avec l'adoption de la technologie au carbure de silicium, les MOSFET SiC réduisent considérablement les pertes par commutation
par rapport aux dispositifs traditionnels en silicium. Cependant, effectuer un calcul précis des pertes par commutation dans les
MOSFET à partir de la fiche technique reste essentiel pour la conception thermique et la sélection des dispositifs.
Cet article explique :
comment effectuer le calcul des pertes par commutation dans les MOSFET
comment estimer les pertes de puissance dans les MOSFET dans les systèmes réels
comment la technologie SiC réduit les pertes par commutation
comment des modules hautes performances comme le RL800N1200A SiC de 2mΩ améliorent l'efficacité des onduleurs
Que sont les Pertes par Commutation dans lesSiC?
La perte par commutation se produit pendant la transition entre les états ALLUMÉ et ÉTEINT d'un dispositif semi-conducteur
de puissance.
Lorsqu'un MOSFET commute, la tension et le courant sont présents simultanément pendant un bref intervalle de temps. Cette s
uperposition provoque une dissipation d'énergie.
La perte par commutation peut être exprimée comme suit :
Psw=12×Vds×Id×(tr+tf)×fswPsw=21×Vds×Id×(tr+tf)×fsw
Où :
VdsVds = tension drain-source
IdId = courant de drain
trtr = temps de montée
tftf = temps de descente
fswfsw = fréquence de commutation
Cette formule constitue la base du calcul des pertes de puissance dans les MOSFET utilisé par les ingénieurs lors de la conception
des étages de puissance.
Calcul des Pertes de Puissance dans lesMOSFET
Les pertes totales dans les MOSFET se composent de deux composants principaux.
Pertes par Conduction
Pcond=I2×Rds(on)Pcond=I2×Rds(on)
Cette perte dépend de :
le courant du dispositif
la résistance à l'état passant
Pertes par Commutation
Les pertes par commutation augmentent avec :
la fréquence de commutation
le niveau de tension
la vitesse de commutation
Par conséquent, le calcul des pertes de puissance dans les MOSFET doit considérer à la fois les pertes par conduction et
les pertes par commutation.
Les MOSFET SiC réduisent considérablement les deux types de pertes grâce aux propriétés du matériau.
Calcul des Pertes par Commutation dans lesMOSFETà partir de la Fiche Technique
Les ingénieurs effectuent généralement le calcul des pertes par commutation dans les MOSFET en utilisant les paramètres de la
fiche technique.
Les fiches techniques fournissent généralement :
l'énergie de fermeture EonEon
l'énergie d'ouverture EoffEoff
La perte totale par commutation peut être estimée comme suit :
Psw=(Eon+Eoff)×fswPsw=(Eon+Eoff)×fsw
Cette méthode est couramment utilisée lors de l'évaluation de dispositifs de fabricants comme Infineon.
Par exemple, de nombreuses notes d'application sur le calcul des pertes par commutation dans les MOSFET d'Infineon recommandent
d'utiliser les valeurs d'énergie de commutation dans des conditions de test spécifiques.
Cependant, les ingénieurs doivent également considérer :
la résistance de grille effective
l'inductance du système
la température de fonctionnement
Ces facteurs peuvent affecter significativement les pertes par commutation réelles.
Comprendre les Pertes par Commutation dans lesMOSFET SiCvers une Commutation Quasi sans Pertes
Le développement de la technologie MOSFET SiC vise à réduire les pertes par commutation vers un comportement proche de la
commutation sans pertes.
Par rapport aux dispositifs IGBT traditionnels en silicium, les MOSFET SiC offrent :
une vitesse de commutation plus élevée
une capacité de sortie plus faible
des pertes de récupération inverse plus faibles
Grâce à ces caractéristiques, les pertes par commutation dans les SiC peuvent être beaucoup plus faibles que dans les dispositifs
conventionnels en silicium.
Dans les applications haute fréquence comme les onduleurs pour véhicules électriques, la réduction des pertes par commutation
peut améliorer l'efficacité du système de plusieurs points de pourcentage.
Cela permet également :
des dissipateurs thermiques plus petits
une densité de puissance plus élevée
une fréquence de commutation plus élevée
Exemple : Analyse des Pertes par Commutation duModule SiCRL800N1200A
Pour illustrer l'impact de la technologie SiC, considérons un module de puissance SiC à courant élevé comme le RL800N1200A.
Caractéristiques typiques :
capacité de courant de 800A
tension nominale de 1200V
Rds(on) ultra-faible de 2mΩ
caractéristiques de commutation optimisées
La faible résistance à l'état passant réduit significativement les pertes par conduction :
Pcond=I2×Rds(on)Pcond=I2×Rds(on)
Par exemple, à des niveaux de courant élevés, réduire la résistance de 4mΩ à 2mΩ peut diminuer les pertes par conduction d'environ 50%.
De plus, la structure de grille optimisée et la faible inductance parasite améliorent les performances de commutation et réduisent
les pertes par commutation dans les SiC.
Ces caractéristiques rendent les modules SiC de haute puissance idéaux pour :
les onduleurs de traction pour véhicules électriques
les convertisseurs de puissance industriels
les systèmes d'énergie renouvelable
Considérations de Conception pour Réduire les Pertes dans les MOSFET
Les ingénieurs qui conçoivent des convertisseurs de puissance à haute efficacité doivent considérer plusieurs stratégies pour réduire
les pertes dans les MOSFET.
Sélectionner des dispositifs avec un faible Rds(on)
Une résistance à l'état passant plus faible réduit significativement les pertes par conduction.
Optimiser la conception du driver de grille
Une résistance de grille appropriée améliore la vitesse de commutation et réduit les pertes.
Réduire l'inductance parasite
Une conception optimisée du module et du PCB minimise les pics de tension et l'énergie de commutation.
Utiliser des modules SiC avancés
Les modules SiC hautes performances offrent de meilleures caractéristiques de commutation et performances thermiques.
Conclusion
Un calcul précis des pertes par commutation dans les MOSFET est essentiel pour concevoir des systèmes électroniques de
puissance efficaces.
En comprenant :
le calcul des pertes de puissance dans les MOSFET
le calcul des pertes par commutation à partir de la fiche technique
les avantages de la technologie MOSFET SiC
les ingénieurs peuvent améliorer significativement l'efficacité et la fiabilité du système.
Les modules SiC modernes comme le RL800N1200A de 2mΩ démontrent comment la technologie avancée des semi-conducteurs
peut réduire les pertes par commutation et permettre des systèmes onduleurs haute puissance et haute efficacité.
Alors que l'électronique de puissance continue d'évoluer, l'optimisation des pertes par commutation dans les SiC jouera un rôle clé
dans les systèmes de prochaine génération pour les véhicules électriques, les énergies renouvelables et les applications industrielles.
Pertes par Commutation dans les SiC(FAQs)
Comment calculer la perte par commutation dans les MOSFET ?
La perte par commutation peut être calculée en utilisant les valeurs d'énergie de commutation Eon et Eoff fournies dans la
fiche technique.
Psw=(Eon+Eoff)×fswPsw=(Eon+Eoff)×fsw
Où la fréquence de commutation détermine la perte de puissance totale.
Pourquoi les pertes par commutation dans les MOSFET SiC sont-elles plus faibles ?
Les dispositifs MOSFET SiC ont une capacité plus faible et des caractéristiques de commutation plus rapides par rapport aux
dispositifs en silicium, ce qui réduit significativement l'énergie de commutation.
Qu'est-ce qui cause les pertes par commutation dans les MOSFET ?
Les pertes par commutation se produisent pendant la transition entre les états allumé et éteint lorsque la tension et le courant se
superposent pendant un bref intervalle de temps.
Comment réduire les pertes de puissance dans les MOSFET ?
Les pertes de puissance peuvent être réduites par :
la sélection de dispositifs avec un faible Rds(on)
l'optimisation du circuit driver de grille
la réduction de l'inductance parasite
l'utilisation de modules SiC à haute efficacité
