Come raggiungere il 90% di efficienza negli alimentatori switching

Le nuove tecnologie dei semiconduttori di potenza possono aiutare a migliorare l'efficienza come dimostra questa nuova soluzione completa proposta da Fairchild Semiconductor per l'alimentazione dei frigoriferi di alta gamma

Risparmiare energia nelle case può contribuire a proteggere l’ambiente, ma soprattutto ha un effetto diretto sulle bollette elettriche. I frigoriferi sono alimentati 24 ore al giorno, 7 giorni alla settimana, ed è quindi essenziale che siano disponibili alimentatori switching efficienti per questi elettrodomestici. Nel caso degli alimentatori switching per frigoriferi, l’efficienza in presenza di carico leggero è fonte di grande preoccupazione dal momento che per la maggior parte del tempo le loro porte restano chiuse. Per poter ridurre gli sprechi, la richiesta dei fabbricanti di frigoriferi di alta gamma riguarda un’efficienza degli alimentatori switching superiore al 90% con un carico compreso tra il 7,7% e il 23,2%. Ad altri livelli di carico, un’efficienza così elevata è desiderata dove possibile.

Le nuove tecnologie dei semiconduttori di potenza possono aiutare a migliorare l’efficienza. Il presente articolo introduce una soluzione totale per l’alimentazione dei frigoriferi di alta gamma. Combinando la tecnologia MOSFET di potenza shielded-gate trench con quella dei MOSFET ad alta tensione e carica bilanciata, è stato progettato un alimentatore switching con un’efficienza maggiore del 90% a carico leggero.

Potenza, topologia e dispositivi target

Fig. 1 – Curva dell’efficienza

La potenza tipica dei frigoriferi di alta gamma è di circa 50W potendo arrivare al massimo a 65W. In questa fascia di potenza la topologia flyback rappresenta la scelta migliore considerando sia le prestazioni che il costo. Inoltre, in rettificatore sincrono è essenziale per un’efficienza elevata in condizioni di forte carico. Per lo switch primario viene adottato un MOSFET a supergiunzione grazie alla superiore efficienza che fornisce. La figura 1 mostra la perdita di potenza del design iniziale.

Nel design iniziale un MOSFET di potenza shielded-gate trench da 100V e 8,5mOhm viene applicato al rettificatore sincrono secondario mentre un MOSFET a supergiunzione da 600V e 190mOhm viene usato per lo switch primario. Tuttavia l’efficienza al 7,7% del carico è ancora inferiore al 90%. La perdita di potenza del sistema a questa condizione di carico è di soli 454mW: questo significa che ogni piccola perdita di potenza dovrebbe essere ridotta prima di poter soddisfare il requisito di efficienza che ci siamo prefissati.

Fig. 2 – Andamento delle perdite di potenza

Fig. 3 – Curva dell’efficienza

La figura 2 mostra l’andamento delle perdite di potenza del design iniziale, evidenziando come la perdita di commutazione sia dominante in presenza di un carico leggero e come la perdita di conduzione sia pressoché inesistente. Anche in condizione di pieno carico, è la perdita di commutazione a essere responsabile della maggior parte della perdita complessiva. In base a questa analisi delle perdite viene preferito un MOSFET da 380mOhm dal momento che la sua conduttanza parassita è decisamente inferiore. Viene sostituito anche il MOSFET applicato al rettificatore sincrono, in questo caso con un MOSFET da 15mOhm. La figura 3 traccia la curva dell’efficienza conseguente questo cambio di componenti: l’efficienza al 7,7% del carico è dell’89,93%. Un’opzione potrebbe essere quella di adottare un componente con una on-resistance maggiore, ma ciò causerebbe cadute di efficienza ai carichi più elevati. Già si evidenzia una caduta dello 0,8% con 55W di carico; per questo una on-resistance superiore per lo switch primario non è un’opzione percorribile. È il momento di trovare aiuto ricorrendo a una tecnologia MOSFET diversa.

Una nuova tecnologia MOSFET

Fig. 4 – Energia accumulata nella conduttanza di uscita con componenti da 190mOhm

Una delle iniziative attuate per superare i limiti del silicio è la tecnologia della supergiunzione nei MOSFET di potenza ad alta tensione. Questa tecnologia può ridurre notevolmente sia la on-resistance che la conduttanza parassita, due parametri che solitamente costringono al reciproco compromesso. Con una minore conduttanza parassita, i MOSFET a supergiunzione vantano caratteristiche di switching estremamente rapide e quindi perdite di commutazione ridotte, a potenze limitate come 50W, l’energia accumulata nella conduttanza di uscita è un parametro estremamente critico per un livello di efficienza superiore. La tecnologia SuperFET II riduce di oltre il 25% l’energia immagazzinata nella conduttanza di uscita a 600V rispetto alla precedente generazione della tecnologia SuperFET come mostrato nella figura 4.

Fig. 5 – Forma d’onda dello switch-off con un carico di 1A

Alla potenza di 50W la corrente di carico del MOSFET è alquanto piccola, e questo livello così basso causa lunghi tempi di caricamento della conduttanza di uscita al turn-off. In questo caso la perdita di commutazione nella giunzione del MOSFET è minima, e la maggior parte di essa si verifica al turn-on dell’hard switching a causa della scarica della conduttanza di uscita. La figura 5 mostra un esempio di turn-off con una piccola corrente di carico. La corrente di drain (CH3) continua a scorrere nonostante la tensione di gate (CH1) sia già a zero. Questa corrente è quella che carica la conduttanza di uscita; pertanto è essenziale ridurre l’energia accumulata nella conduttanza di uscita, e la tecnologia SuperFET II è progettata per garantire una minore perdita di commutazione nel sistema.

90% di efficienza

Negli alimentatori switching per frigoriferi di alta gamma l’obiettivo principale è quello di raggiungere un’efficienza del 90% o più in condizioni di carico comprese tra il 7,7% e il 23,2%: cosa non facile da ottenere con i tradizionali dispositivi a supergiunzione. La tecnologia SuperFET II può invece risolvere il problema: applicando il dispositivo FCP380N60 allo switch primario, l’efficienza al 7,7% di carico sale al 90,53% come mostrato in figura 3 grazie alla minor energia immagazzinata nella conduttanza di uscita e alle superiori prestazioni di switching. In condizioni di carico elevato anche il gap di efficienza rispetto al MOSFET a supergiunzione da 190mOhm è molto inferiore rispetto al MOSFET a supergiunzione da 380mOhm.

I nuovi MOSFET in tecnologia SuperFET II, i MOSFET shielded-gate trench e il controller per la rettificazione sincrona compongono una soluzione completa per alimentatori switching ad alta efficienza destinati a frigoriferi di alta gamma, consentendo di ottenere una efficienza superiore al 90% nelle condizioni di carico più critiche.

http://www.fairchildsemi.com/

Won-Seok Kang, senior application engineer - Power Conversion, Fairchild Semiconductor (Korea)

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