Cet article vous guidera à travers les considérations techniques et les applications pratiques des solutions discrètes en carbure de silicium (SiC) et des modules de puissance dans les conceptions de climatiseurs et de pompes à chaleur, tant résidentielles que commerciales.
Le carbure de silicium révolutionne l’industrie des pompes à chaleur et de la climatisation en offrant une efficacité sans précédent, une durabilité accrue et des performances supérieures dans les environnements les plus exigeants. Les solutions alimentées par SiC peuvent répondre aux nouvelles réglementations d’efficacité plus strictes, soit par une rétrofitting minimale des conceptions existantes, soit par des conceptions de systèmes entièrement nouveaux.
Les Normes Internationales Exigent une Efficacité Accrue
Les normes d’efficacité des pompes à chaleur et des climatiseurs, de plus en plus strictes à travers le monde, visent à réduire significativement l’impact environnemental du chauffage et de la climatisation dans les applications résidentielles, commerciales et industrielles. Aux États-Unis, l’efficacité des systèmes de chauffage et de climatisation est mesurée selon une norme nationale appelée le Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER).
À partir de 2023, tous les nouveaux systèmes de climatisation centrale résidentielle et de pompes à chaleur à source d’air vendus dans le nord des États-Unis doivent avoir un indice SEER d’au moins 14. Dans les États du sud, où le refroidissement consomme une part plus importante de l’énergie domestique, l’exigence est un indice SEER d’au moins 15.
Une norme similaire en Europe, l’ESEER (European Energy Efficiency Ratio), exige que les nouveaux systèmes soient notés B ou mieux. La Chine a des normes d’efficacité GB21455, qui exigent que les nouvelles conceptions visent des grades d’efficacité plus élevés, mais pas inférieurs à 5. La Figure 1 illustre l’évolution des normes de plus en plus strictes aux États-Unis, en Europe et en Chine.
Figure 1. Normes mondiales d’efficacité des pompes à chaleur et des climatiseurs. [cliquer pour agrandir]
Répondre à ces exigences est difficile pour les dispositifs de semi-conducteurs de puissance en silicium traditionnels. Le carbure de silicium fournit un moyen simple et économique de satisfaire ces normes tout en permettant des systèmes de chauffage et de climatisation plus compacts, ayant une densité de puissance plus élevée et étant plus silencieux dans l’ensemble.
Amélioration de l’Efficacité Avec des Dispositifs Simples en Carbure de Silicium
Les dispositifs discrets en carbure de silicium peuvent être facilement intégrés dans les conceptions existantes de pompes à chaleur et de climatiseurs, permettant des gains d’efficacité suffisants pour répondre aux normes SEER, ESEER et GB21455. La Figure 2 illustre les différents sous-systèmes des pompes à chaleur et des climatiseurs, y compris la conversion de puissance (PFC) et les onduleurs, qui alimentent le compresseur et fournissent la température d’air souhaitée.
Figure 2. Les sous-systèmes des pompes à chaleur et des climatiseurs avec mise en évidence du PFC et de l’onduleur utilisés pour alimenter le moteur du compresseur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Electronic Products [cliquer pour agrandir]
La Figure 3 (à gauche) montre le PFC typique basé sur le silicium dans une configuration de boost active. Comme le montre la partie droite de l’image, ce design peut être facilement amélioré en remplaçant simplement la diode en silicium par une diode Schottky en carbure de silicium (SiC) de 650 V ou 1200 V (selon la tension du bus DC), sans aucune redéfinition du système. Il s’agit d’une mise à niveau très populaire qui entraîne une augmentation de l’efficacité de 0,5 % voire plus.
Figure 3. Mise à niveau du PFC avec diode SiC (approche sans redéfinition). [cliquer pour agrandir]
Contrairement aux diodes en silicium, les diodes Schottky en carbure de silicium de 650 V et 1200 V offrent une charge de récupération inverse (Qrr) nulle. Les séries de diodes SiC C4D 1200 V et C3D 650 V de Wolfspeed offrent les meilleures performances de récupération inverse sur le marché (Figure 4). Comme démontré dans cette figure, ces diodes SiC ont des performances nettement supérieures à celles des redresseurs en silicium.
Figure 4. Les diodes Schottky en carbure de silicium (SiC) de Wolfspeed offrent des pertes de récupération inverse considérablement réduites. [cliquer pour agrandir]
Redéfinir Avec le SiC Réalise D’autres Gains d’Efficacité
Les avantages de performance du carbure de silicium peuvent être encore maximisés en redéfinissant le PFC dans une configuration semi-bridgeless ou bridgeless totem pole (Figure 5). La topologie PFC semi-bridgeless utilise deux MOSFET SiC de 650/750 V sur la branche à commutation rapide et deux diodes SiC de 650/1200 V sur la branche à commutation lente (selon la tension du lien DC). Ce design peut améliorer l’efficacité du système de 1,5 % par rapport à un PFC sur base silicium.
Figure 5. Redéfinir l’étape PFC en configuration semi-bridgeless (à gauche) et bridgeless (à droite) en totem pole.
De même, la topologie PFC totalement bridgeless utilisant uniquement des MOSFET SiC sur les branches de commutation rapide et lente peut améliorer l’efficacité du système de 1,9 % par rapport à un PFC sur base silicium. Comme démontré dans la Figure 6, dans un système de compresseur de 11 kW fonctionnant à 16 kHz, les pertes totales du système peuvent être réduites de plus de 50 % lors de l’utilisation de SiC par rapport à une solution à base de silicium.
Figure 6. Pertes du conducteur moteur pour le silicium vs. les MOSFET SiC de 650 V dans un système de 11 kW, 16 kHz fonctionnant à 50 % de charge.
Les MOSFET en silicium ne sont pas bien adaptés aux topologies PFC bridgeless en raison de leur grande récupération inverse (Figure 7), et les IGBTs en silicium présentent de fortes pertes de commutation, nécessitant des fréquences de commutation plus basses et de plus grands composants magnétiques, entraînant une solution plus coûteuse.
Figure 7. Le faible Qrr des MOSFET SiC de Wolfspeed permet de réduire les pertes de commutation.
Grâce à une meilleure performance de commutation et à de meilleures performances thermiques, cette approche redéfinie réduit le bruit audible et facilite la transition des nouvelles installations de moteurs industriels de l’IE3 (International Efficiency) vers l’IE4 et l’IE5 selon la norme IEC60034-14 (Figure 8).
Figure 8. Normes IEC pour les entraînements de moteurs industriels.
D’autres Gains dans la Redéfinition de l’Étape Onduleur
L’étape onduleur, qui comprend 6 interrupteurs, peut être facilement mise à niveau vers une solution entièrement SiC en remplaçant tous les interrupteurs IGBT existants, comme l’illustre la Figure 9.
Figure 9. Remplacement des interrupteurs IGBT par des interrupteurs SiC dans l’étape onduleur. [cliquer pour agrandir]
Les MOSFET en carbure de silicium présentent les plus faibles pertes de conduction par rapport aux solutions IGBT classiques. La Figure 10 illustre les pertes de conduction pour un MOSFET SiC de 1200 V de Wolfspeed par rapport à un IGBT classique. Les MOSFETs SiC offrent une réduction de 50 % des pertes de conduction à 30 % de charge et une réduction de 30 % des pertes de conduction à demi-charge.
Figure 10. Pertes de conduction pour le MOSFET SiC de 1200 V 40 A de Wolfspeed vs un IGBT comparable. [cliquer pour agrandir]
Lorsque la commutation d’un MOSFET SiC de 1200 V est comparée à celle d’un IGBT de 1200 V classique, l’avantage des très faibles pertes de commutation est évident, car il n’y a pas de courant de traînée visible lors de l’arrêt. Cette caractéristique d’un MOSFET SiC offre jusqu’à 95 % de pertes de commutation lors de l’arrêt réduites ou 85 % de pertes de commutation totales globales (Figure 11).
Figure 11. Le courant de traînée de l’IGBT impacte la perte d’arrêt (à droite) vs le courant de traînée étant éliminé avec le MOSFET SiC de 1200 V. [cliquer pour agrandir]
Économies Supplémentaires Avec un Radiateur Réduit
En plus de consommer moins d’énergie, le SiC permet des conceptions de refroidissement plus petites et moins coûteuses dans les pompes à chaleur et les climatiseurs grâce à de meilleures performances thermiques. Pour un onduleur de 25 kW fonctionnant à 8 kHz, l’utilisation d’un module de puissance à six interrupteurs tel que le WolfPACK de Wolfspeed par rapport à un module similaire d’IGBT conduit à une réduction de taille globale de 77 % du radiateur et à une amélioration de l’efficacité de 1,1 % (Figure 12).
Figure 12. Comparaison de la taille du radiateur entre le WolfPACK de Wolfspeed et une solution IGBT. [cliquer pour agrandir]
Cela concerne uniquement le côté onduleur, et lorsqu’il est combiné avec un PFC en Totem Pole alimenté par SiC, une efficacité combinée de 2,6 % peut être observée (Figure 13).
Figure 13. Comparaison de l’efficacité et de la thermique entre le module WolfPACK de Wolfspeed et une solution IGBT.
Les onduleurs basés sur le SiC réduisent considérablement la chaleur générée par le système, permettant aux concepteurs d’utiliser des radiateurs plus petits et de concevoir des compresseurs plus compacts et plus légers pour les systèmes de climatiseurs et de pompes à chaleur.
Outils de Soutien à la Conception pour Abaisser la Barrière à l’Entrée Avec le SiC
Les outils de soutien à la conception adaptés aux pompes à chaleur et à la climatisation peuvent aider à réduire la barrière à l’entrée lors de la conception avec le SiC. Ces outils permettent aux ingénieurs de concevoir des systèmes robustes et fiables avec une densité de puissance, des performances et une efficacité de premier plan.
Par exemple, la Figure 14 démontre le design de référence d’onduleur haute efficacité de 11 kW récemment publié par Wolfspeed (CRD-11DA12N-K). Il comporte des MOSFET de 75 mΩ à 1200 V et permet aux concepteurs de systèmes de tester les avantages du SiC dans les onduleurs de compresseurs de pompes à chaleur et de climatisation. Ce design est caractérisé par ses performances thermiques, son inductance et son fonctionnement du circuit et présente une topologie simple en 2 niveaux et 3 phases avec un firmware personnalisable.
Figure 14. Design de référence d’onduleur haute efficacité de 11 kW (CRD-11DA12N-K).
Ce design d’onduleur peut facilement être mis à niveau à 20 kW en utilisant un MOSFET SiC de 40 mΩ à 1200 V. Comparé à une solution IGBT, la solution SiC surpasse une solution IGBT avec des gains d’efficacité allant jusqu’à 1,7 % à 16 kHz et jusqu’à 3,5 % à 32 kHz, même en fonctionnant à des valeurs de dv/dt plus basses pour protéger le moteur (Figure 15).
Figure 15. Gains d’efficacité en utilisant le MOSFET de 40 mΩ à 1200 V de Wolfspeed par rapport à une solution IGBT comparable à 16 kHz (à gauche) et à 32 kHz (à droite). [cliquer pour agrandir]
De plus, la toute nouvelle plateforme d’évaluation modulaire SpeedVal Kit Carte Mère Triphasée accélère encore la transition du silicium au carbure de silicium avec un ensemble flexible de blocs de construction pour l’évaluation des performances du système en circuit (Figure 16).
Figure 16. Plateforme d’évaluation modulaire SpeedVal Kit, carte mère triphasée.
Conçu pour les entraînements de moteurs industriels, les pompes à chaleur et les systèmes de climatisation, le SpeedVal Kit permet aux concepteurs d’évaluer et d’optimiser rapidement les MOSFET en carbure de silicium associés à des drivers de porte de partenaires de premier plan dans l’industrie. La carte mère triphasée permet également un contrôle précis et un développement de firmware avec des options de contrôle flexibles pour tester des charges statiques simples ou des fonctions avancées de contrôle de moteur.
Économies et Impact Environnemental des Améliorations avec le SiC
L’impact environnemental de la mise à niveau des systèmes de chauffage et de climatisation avec le SiC, rien qu’au niveau du PFC et de l’onduleur, est significatif. À titre de référence, avec un système triphasé de 11 kW, le consommateur peut s’attendre à économiser au moins 453 kWh d’énergie par an, soit environ 168 euros, compensant plus que toute augmentation des coûts du système.
Ces économies sont particulièrement significatives lorsque l’on considère l’utilisation du matériel sur toute sa durée de vie. Supposant que le système dure 15 ans, les consommateurs économiseront 6800 kWh pour un total d’environ 2520 euros d’économies. Selon les estimations de l’EPA des États-Unis, cela se traduit également par une réduction de 4,8 tonnes métriques du CO2 libérées dans l’atmosphère, faisant du SiC un choix plus durable pour concevoir des pompes à chaleur et des climatiseurs de prochaine génération.
Recommandations Générales de Conception pour un Agencement Plus Propre
Dans la conception du PCM, il est recommandé d’éviter les chevauchements entre le circuit de commande et le drain du MOSFET. Cela aide à réduire le risque d’induction d’une capacitance externe gate-drain, Cgd, dans la boucle de puissance de commande comme illustré à gauche dans la Figure 17.
Figure 17. Boucle de commande typique du MOSFET (à gauche) et nœuds de commutation dans l’étape onduleur (à droite). [cliquer pour agrandir]
Les avantages de l’intégration de cette recommandation de conception incluent :
- Pertes de commutation réduites
- Réduction du risque d’oscillation de la porte
- Moins de perturbations électromagnétiques (EMI)
Une autre recommandation de conception consiste à garder les signaux sensibles éloignés des traces à fort dv/dt. De plus, réduire la taille des traces des nœuds de commutation minimise la capacitance parasite au bus DC, réduisant ainsi les pertes de commutation et les préoccupations relatives aux EMI (Figure 16-droite). Enfin, minimiser la boucle de la porte pour le circuit de commande aussi près que possible et placer le condensateur externe Cgs aussi près que possible du MOSFET.
Opter pour le SiC pour une Efficacité Améliorée et une Taille Réduite
Il existe un désir croissant d’améliorer l’efficacité des systèmes de climatisation et de pompes à chaleur. Les normes d’efficacité de plus en plus strictes mettent au défi les IGBTs en silicium traditionnels.
Le carbure de silicium fournit une excellente alternative au silicium, tant dans les systèmes à insérer que dans les systèmes redéfinis tout en répondant aux nouvelles normes d’efficacité. Les concepteurs de systèmes peuvent réaliser d’importants gains d’efficacité en remplaçant simplement les IGBTs en silicium par des dispositifs en carbure de silicium. La redéfinition des systèmes avec du carbure de silicium peut également permettre de créer des systèmes globalement plus compacts grâce à des radiateurs jusqu’à 77 % plus petits.
Image de fond utilisée avec l’aimable autorisation de Adobe. À moins d’indication contraire, toutes les autres figures utilisées avec l’aimable autorisation de Wolfspeed.