![\"\"](\"https:\/\/www.eenewseurope.com\/wp-content\/uploads\/2023\/12\/Figure1-1024x683.jpg\")
<\/p>\nLa n\u00e9cessit\u00e9 de plus en plus pressante de r\u00e9duire les \u00e9missions de carbone a entra\u00een\u00e9 une augmentation de la popularit\u00e9 des sources d’\u00e9nergie renouvelables telles que les syst\u00e8mes d’onduleurs solaires. Ceux-ci n\u00e9cessitent des onduleurs l\u00e9gers, efficaces et \u00e0 haute densit\u00e9 de puissance qui peuvent \u00eatre interconnect\u00e9s au r\u00e9seau.<\/p>\n
Traditionnellement, les transistors bipolaires \u00e0 grille isol\u00e9e (IGBT) constituent l’option privil\u00e9gi\u00e9e pour les onduleurs solaires triphas\u00e9s et monophas\u00e9s (\u226410 kW), tandis que les transistors MOSFET \u00e0 superjonction de silicium (SJ) (600\/650 V) ont \u00e9galement \u00e9t\u00e9 utilis\u00e9s dans certaines applications monophas\u00e9es. Cependant, les IGBT et les MOSFET Si SJ limitent l’efficacit\u00e9 et la densit\u00e9 de puissance que les onduleurs solaires peuvent atteindre.<\/p>\n
Plus r\u00e9cemment, deux approches alternatives ont commenc\u00e9 \u00e0 attirer l’attention : la premi\u00e8re consiste \u00e0 remplacer les IGBT et les MOSFET en silicium SJ par des dispositifs \u00e0 large bande interdite tels que les MOSFET en carbure de silicium (SiC), tandis que la seconde remplace les topologies de circuit traditionnelles par une topologie multiniveau qui peut continuer \u00e0 utiliser des MOSFET en silicium \u00e0 plus faible tension. Dans cet article, Infineon examine les m\u00e9rites relatifs de chaque approche et montre comment elles peuvent toutes deux \u00eatre utilis\u00e9es pour atteindre des niveaux d’efficacit\u00e9 allant jusqu’\u00e0 99 % dans les conceptions d’onduleurs solaires.<\/p>\n
En raison de leurs pertes de commutation \u00e9lev\u00e9es, les IGBT ne peuvent \u00eatre utilis\u00e9s que dans des applications dont les fr\u00e9quences de commutation sont inf\u00e9rieures \u00e0 20 kHz. Les MOSFET SJ ont une charge de r\u00e9cup\u00e9ration inverse \u00e9lev\u00e9e (Qrr), une diode lente et un RDS(on) relativement \u00e9lev\u00e9, ce qui a un impact n\u00e9gatif sur leur fonctionnement dans les applications d’onduleurs. Ces inconv\u00e9nients limitent \u00e0 un maximum de 98 % l’efficacit\u00e9 op\u00e9rationnelle et la densit\u00e9 de puissance que l’on peut obtenir en utilisant l’un ou l’autre de ces dispositifs dans les conceptions d’onduleurs solaires monophas\u00e9s typiques.<\/p>\n
D’autre part, les MOSFET SiC sont dot\u00e9s de diodes rapides, ont un Qrr tr\u00e8s faible et pr\u00e9sentent des pertes de commutation inf\u00e9rieures \u00e0 celles des IGBT. Les MOSFET CoolSiC 650V d’Infineon peuvent remplacer les IGBT et les MOSFET Si SJ sans qu’il soit n\u00e9cessaire de modifier la topologie du circuit utilis\u00e9 dans un onduleur. Les MOSFET SiC peuvent commuter \u00e0 des fr\u00e9quences plus \u00e9lev\u00e9es, ce qui signifie que des composants de filtrage plus petits (inductance, condensateur) peuvent \u00eatre utilis\u00e9s, ce qui a pour avantage de r\u00e9duire la taille et le poids du bo\u00eetier de l’onduleur, permettant ainsi de r\u00e9aliser des \u00e9conomies en phase avec l’augmentation des niveaux de puissance. Les MOSFET en SiC pr\u00e9sentent \u00e9galement des pertes de commutation nettement inf\u00e9rieures \u00e0 celles des MOSFTET en SJ.<\/p>\n
La figure 1 montre comment les MOSFET CFD7 CoolSiC 650V d’Infineon se comparent aux MOSFET SJ alternatifs dans des conditions de fonctionnement identiques et pour le m\u00eame RDS(on).<\/p>\n
<\/p>\n
Figure 1 Comparaison des figures de m\u00e9rite pour les MOSFET SiC et SJ dans les m\u00eames conditions de fonctionnement et RDS(on)<\/p>\n
La figure 2 montre les pertes par conduction pour trois commutateurs de premier ordre d’Infineon, notamment l’IGBT IKW30N65H5 650V TRENCHSTOP 5, le MOSFET SJ en silicium IPW60R031CFD7 600V CoolMOS CFD7 et le MOSFET CoolSiC IMW65R027M1H 650V \u00e0 des temp\u00e9ratures de jonction de 25\u00b0C (\u00e0 gauche) et de 125\u00b0C (\u00e0 droite).<\/p>\n
Il est clair que si les pertes de conduction des IGBT sont nettement plus \u00e9lev\u00e9es que celles des autres composants \u00e0 25 \u00b0C, elles n’augmentent plus lorsque la temp\u00e9rature de jonction atteint 125 \u00b0C. On constate \u00e9galement que les pertes de conduction du MOSFET SJ \u00e0 125\u00b0C sont deux fois plus importantes qu’\u00e0 25\u00b0C. Enfin, les pertes dans le MOSFET SiC n’augmentent que d’environ 20 % sur l’ensemble de la plage de temp\u00e9rature, ce qui donne un avantage sur les MOSFET au silicium dans les applications \u00e0 courant \u00e9lev\u00e9 et \u00e0 haute temp\u00e9rature telles qu’un onduleur solaire.<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.eenewseurope.com\/wp-content\/uploads\/2023\/12\/Figure2.2-1024x683.jpg\")
<\/p>\n
Figure 2 Comparaison des pertes de conduction \u00e0 25\u00b0C (\u00e0 gauche) et 125\u00b0C (\u00e0 droite)<\/p>\n
Des topologies telles que Heric, H6, H6.5, employant des dispositifs IGBT 650 V et MOSFET SJ 650 V sont couramment utilis\u00e9es dans les conceptions d’onduleurs solaires monophas\u00e9s conventionnels. Cependant, une nouvelle topologie multiniveau bas\u00e9e sur des MOSFET \u00e0 moyenne tension (150 V \u00e0 200 V) est apparue comme une alternative potentielle (figure 3).<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.eenewseurope.com\/wp-content\/uploads\/2023\/12\/Figure3-1024x522.jpg\")
<\/p>\n
Figure 3 Remplacement d’une topologie \u00e0 deux niveaux par une topologie \u00e0 plusieurs niveaux<\/p>\n
Par rapport \u00e0 l’approche conventionnelle, la topologie multiniveau a l’avantage de n\u00e9cessiter un inducteur et un condensateur beaucoup plus petits, ce qui permet de concevoir un onduleur solaire \u00e0 plus forte densit\u00e9 de puissance qui n\u00e9cessite moins de refroidissement.<\/p>\n
En outre, si l’adoption d’une approche multiniveau n\u00e9cessite l’utilisation d’un plus grand nombre de MOSFET \u00e0 moyenne tension, la chaleur dissip\u00e9e en raison des pertes de puissance est r\u00e9partie sur un plus grand nombre de composants, ce qui simplifie la gestion thermique et pourrait permettre de concevoir des onduleurs ne n\u00e9cessitant pas de ventilateurs ou de dissipateurs de chaleur. Les composants semiconducteurs repr\u00e9sentent g\u00e9n\u00e9ralement moins de 10 % de la nomenclature globale d’un onduleur de cha\u00eene monophas\u00e9 (\u2265 3 kW).<\/p>\n
En comparaison, le syst\u00e8me de refroidissement et les composants passifs (condensateurs et inductances) repr\u00e9sentent 30 \u00e0 40 % du co\u00fbt total. En outre, alors que le prix des composants semiconducteurs tend \u00e0 diminuer avec le temps, le co\u00fbt des composants passifs est relativement statique. Par cons\u00e9quent, pour les onduleurs solaires monophas\u00e9s existants fonctionnant \u00e0 des niveaux de puissance sup\u00e9rieurs \u00e0 3 kW, le passage \u00e0 une topologie multiniveaux (qui utilise des \u00e9l\u00e9ments passifs plus petits et davantage de dispositifs semiconducteurs) est judicieux car il permet de r\u00e9aliser des \u00e9conomies. Les onduleurs de puissance sup\u00e9rieure peuvent r\u00e9aliser des \u00e9conomies encore plus importantes en adoptant une topologie multiniveau.<\/p>\n
Un autre avantage important des onduleurs multiniveaux est que la perte de puissance inf\u00e9rieure par composant permet d’utiliser des MOSFET plus petits dans des bo\u00eetiers mont\u00e9s en surface (SMD). Les bo\u00eetiers SMD sont parfaitement adapt\u00e9s aux processus automatis\u00e9s de pr\u00e9l\u00e8vement et de placement, ce qui permet de r\u00e9duire les co\u00fbts d’assemblage des syst\u00e8mes. En outre, les bo\u00eetiers plus petits ont une inductance plus faible, ce qui permet d’am\u00e9liorer les performances de commutation \u00e0 des fr\u00e9quences plus \u00e9lev\u00e9es. Un autre avantage important des onduleurs multiniveaux est leur \u00e9volutivit\u00e9 vers des niveaux de puissance plus \u00e9lev\u00e9s en utilisant une conception et une disposition de carte presque identiques. Toutefois, il convient de noter que, par rapport aux topologies conventionnelles, les onduleurs multiniveaux n\u00e9cessitent un plus grand nombre de pilotes de grille et d’alimentations isol\u00e9es.<\/p>\n
Pour \u00e9tudier les performances de la topologie multiniveau propos\u00e9e, Infineon a construit une carte de d\u00e9monstration d’onduleur multiniveau monophas\u00e9 de 4 kW, \u00e0 cinq niveaux, bas\u00e9 sur des condensateurs volants, \u00e0 point neutre actif et brid\u00e9 (Figure 4) sur la base des sp\u00e9cifications de conception indiqu\u00e9es dans le tableau 1. L’avantage de cette conception multiniveau est qu’elle permet d’utiliser des MOSFETs OptiMOS 5 150 V 9,3 m\u03a9 (BSC093N15NS5), m\u00eame si la tension du bus est de 400 VDC.<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.eenewseurope.com\/wp-content\/uploads\/2023\/12\/Table-1-1024x456.jpg\")
<\/p>\n
Tableau 1 Sp\u00e9cifications de conception de l’onduleur multiniveau propos\u00e9<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.eenewseurope.com\/wp-content\/uploads\/2023\/12\/Figure4-1024x560.jpg\")
<\/p>\n
Figure 4 Sch\u00e9ma de la conception de l’onduleur \u00e0 cinq niveaux<\/p>\n
La figure 5 montre l’efficacit\u00e9 de cette conception mesur\u00e9e en fonction de la puissance de sortie. Il a atteint une efficacit\u00e9 maximale de 99,1 % \u00e0 une puissance de sortie d’environ 2 kW. \u00c0 pleine charge (4 kW), il a continu\u00e9 \u00e0 fournir un rendement exceptionnellement \u00e9lev\u00e9 (98,7 %). Une carte thermique de la carte \u00e0 pleine puissance de sortie a montr\u00e9 que la mesure de la temp\u00e9rature maximale des composants \u00e9tait inf\u00e9rieure \u00e0 85 \u02daC. Ces chiffres d’efficacit\u00e9 et de temp\u00e9rature expliquent pourquoi cet onduleur multiniveau peut fonctionner en continu sans avoir recours \u00e0 un dissipateur thermique ou \u00e0 un ventilateur.<\/p>\n
<\/p>\n
![\"\"](\"https:\/\/www.eenewseurope.com\/wp-content\/uploads\/2023\/12\/Figure5-1024x683.jpg\")
<\/p>\n
Figure 5 Rendement en fonction de la puissance de sortie pour l’onduleur \u00e0 cinq niveaux (\u00e0 une fr\u00e9quence de commutation de 40 kHz)<\/p>\n
Conclusion<\/strong><\/p>\n Bien qu’il soit plus facile de remplacer les dispositifs au silicium par des MOSFET SiC que de modifier la topologie de l’onduleur, cette approche n’am\u00e9liore pas l’efficacit\u00e9 et la densit\u00e9 de puissance autant que l’approche multiniveau, ce qui signifie qu’un dissipateur thermique est toujours n\u00e9cessaire aux niveaux de puissance inf\u00e9rieurs et qu’un refroidissement forc\u00e9 peut s’av\u00e9rer n\u00e9cessaire aux niveaux de puissance sup\u00e9rieurs (> 5 kW). Bien qu’une topologie multiniveau soit plus complexe, elle peut offrir un rendement sup\u00e9rieur \u00e0 99 % et une densit\u00e9 de puissance \u00e9lev\u00e9e, ce qui justifie l’effort de conception.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":" Par Damijan Zupancic, Application Marketing Manager Solar & ESS chez Infineon Technologies La n\u00e9cessit\u00e9 de plus en plus pressante de r\u00e9duire les \u00e9missions de carbone a entra\u00een\u00e9 une augmentation de la popularit\u00e9 des sources d’\u00e9nergie renouvelables telles que les syst\u00e8mes d’onduleurs solaires. Ceux-ci n\u00e9cessitent des onduleurs l\u00e9gers, efficaces et \u00e0 haute densit\u00e9 de puissance qui […]<\/p>\n","protected":false},"author":34,"featured_media":439680,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"footnotes":""},"categories":[887],"tags":[2468,1707,2265],"domains":[47],"ppma_author":[1153,3640],"class_list":["post-439913","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-applications","tag-mosfet-fr","tag-onduleur","tag-sic-fr","domains-electronique-eci"],"acf":[],"yoast_head":"