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 les SiC ?

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 superposition provoque une dissipation d'énergie.

La perte par commutation peut être exprimée comme suit :

$P_{s w} = \frac{1}{2} \times V_{d s} \times I_{d} \times (t_{r} + t_{f}) \times f_{s w}$

Où :

$V_{d s}$ = tension drain-source
$I_{d}$ = courant de drain
$t_{r}$ = temps de montée
$t_{f}$ = temps de descente
$f_{s w}$ = 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 les MOSFET

Les pertes totales dans les MOSFET se composent de deux composants principaux.

Pertes par Conduction

$P_{c o n d} = I^{2} \times R_{d s (o n)}$

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 les MOSFET à 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 $E_{o n}$
l'énergie d'ouverture $E_{o f f}$

La perte totale par commutation peut être estimée comme suit :

$P_{s w} = (E_{o n} + E_{o f f}) \times f_{s w}$

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 les MOSFET SiC vers 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 du Module SiC RL800N1200A

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 :

$P_{c o n d} = I^{2} \times R_{d s (o n)}$

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.

FAQ : Pertes par Commutation dans les SiC

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.

$P_{s w} = (E_{o n} + E_{o f f}) \times f_{s w}$

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 :