Diodi Tandem Hyperfast per PFC, soluzioni a confronto

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1 Diodi Tandem Hyperfast per PFC, soluzioni a confronto Giovanni Marengo Senior Product Marketing Manager Claudio Damilano Product Application Eng. Manager Vishay Semiconductor Italiana in collaborazione con Future Electronics Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 1/26

2 Power Factor Corrector review 1/2 Il PFC è un convertitore elettronico AC DC che assorbe dalla rete una corrente in forma idealmente sinusoidale e sincrona con la tensione Per questo il PFC è visto idealmente dalla rete elettrica come una resistenza Questo modo di assorbire la corrente dalla rete elettrica rende la rete di distribuzione più efficiente e permette di assorbire potenze più elevate da una data sorgente AC ), &, / & 5 / 9 / 9 1 PFC 3) & Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 2/26

3 Power Factor Corrector review 2/2 Il Power Factor è un numero compreso tra 0 e 1 e si calcola analizzando tensione e corrente di ingresso del PFC: tanto più è vicino ad 1, tanto più il PFC tende a comportarsi davvero come una resistenza 0 1 Corrente assorbita Tensione di alimentazione Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 3/26

4 Normative PFC Esistono diverse normative riguardo alla compatibilità elettromagnetica ed al Power factor in Europa (IEC : e derivate, secondo l applicazione finale) e fuori Europa Soddisfarle in modo economico ed efficace significa nella maggior parte dei casi adottare uno stadio PFC Fraction of Rated Load 20% 50% 100% PF > 0.9 from % of Rated Load 80% 80% 80% 100% 82% 85% 82% 50% 85% 88% 85% 50% 87% 90% 87% 50% Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 4/26

5 Topologia BOOST per PFC La maggior parte dei PFC è realizzata con un ponte raddrizzatore seguito da un convertitore di tipo BOOST V in V out ), &, / & 5 / 9 / 9 1 3) & Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 5/26

6 I L Modi di funzionamento BOOST DCM I L CCM I B I B t I A t 400 V typ V in V out LOAD Il convertitore BOOST può funzionare in modo DCM o CCM Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 6/26

7 I L Caratteristiche diodo BOOST DCM I L CCM I B I B Picchi di corrente t I A Spegnimento forzato t Spegnimento naturale Dominano perdite per conduzione Dominano perdite per commutazione Bassa V f Trr e Qrr ridotti T rr e Q rr poco influenti Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 7/26

8 Famiglie diodi FRED 600V Pt-doped t rr If=8A Vs If=8A, di/dt=500a/µs, Vr=390V, Tj=25 C (soft mode) DCM If=8A, di/dt=500a/µs, Vr=390V, Tj=25 C ( ETL Series PFC Power Range 70W 300W 800W+ ETU Series ETH Series ETX Series CCM If=8A, Tj=25 C (V) V F Tandem Diode Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 8/26

9 Famiglie diodi FRED 600V Pt-doped Supera i compromessi attuali t rr If=8A, di/dt=500a/µs, Vr=390V, Tj=25 C ( If=8A Vs If=8A, di/dt=500a/µs, Vr=390V, Tj=25 C (soft mode) ETL Series PFC Power Range 70W 300W 800W+ ETU Series ETH Series ETX Series If=8A, Tj=25 C (V) V F Tandem Diode Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 9/26

10 Topologia BOOST per PFC CCM 400 V typ LOAD Durante il passaggio OFF -> ON la carica inversa del diodo ( Q RR ) scorre nell interruttore aumentando le perdite nell interruttore producendo rumore elettromagnetico Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 10/26

11 2x300V Fred Tandem 2x300V Hyperfast Fred Pt in serie Pro Contro Maggiore velocita Basso Qrr Buon compromesso in termini di rapporto costo/prestazioni e di affidabilità rispetto ai diodi SiC V f maggiore 2x uso di silicio Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 11/26

12 2x300V Fred Tandem Perche due in serie? n p n n p p Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 12/26

13 2x300V Fred Tandem REGIONE INVERSA n p n p V 600V n p I RR 300V I RR Il Q RR della giunzione da 300V è inferiore a quella da 600V, ed i due diodi sono in serie, quindi la carica equivalente è quella di uno solo da 300V Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 13/26

14 2x300V Fred Tandem REGIONE DIRETTA n p n V F(300) n p p V F(300) V F(600) La V f risulta più elevata di quella di un diodo da 600V V F(300) V F(300) V F(600) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 14/26

15 2x300V Fred Tandem Switching losses (Active switch) Conduction losses (Diode) POWER LOSS Switching losses (Active switch) Conduction losses (Diode) In realtà l aumento di perdite per conduzione è ampiamente compensato dal risparmio in commutazione Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 15/26

16 Misure sull applicazione avversari al confronto Sulla base di queste considerazioni si è deciso di confrontare il diodo TANDEM Vishay 8STH06FP con il diodo 8ETX06PBF, il più veloce della nostra famiglia FRED 600V, e di confrontare anche questi con altri diodi tandem in commercio 8STH06FP Vishay Tandem, 8A 600V 8ETX06PBF Vishay FRED, 8A 600V COMP S Concorrenza 1, 8A 600V COMP Q Concorrenza 2, 8A 600V Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 16/26

17 Misure sull applicazione il terreno di gioco Il confronto viene eseguito su una scheda demoboard PFC: AC Line Voltage Range V AC AC Line Frequency 50 Hz Converter Switching Frequency 100kHz Output Voltage 386VDC Maximum Output Power 300W Power Factor (@115VAC / 300W) Operating Ambient Temperature 30 C Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 17/26

18 Misure sull applicazione il terreno di gioco sync P IN P OUT Il confronto è stato fatto misurando l effcienza di un convertitore PFC completo, dalla linea AC all uscita in DC, sostituendo solo il diodo Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 18/26

19 Misure sull applicazione VSI Tandem vs VSI FRED PFC Diodes Efficiency Comparison VISHAY HPP TANDEM vs VSI HPP HYPERFAST V AC Efficiency (%) STH06FP VAC 8STH06FP VAC 8ETX06PBF VAC 8ETX06PBF VAC V AC Power Level (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 19/26

20 Misure sull applicazione Concorrente S Tandem vs VSI FRED PFC Diodes Efficiency Comparison Efficiency (%) V AC 110V AC COMP S VAC COMP S VAC 8ETX06PBF VAC 8ETX06PBF VAC Power Level (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 20/26

21 Misure sull applicazione Concorrente S Tandem vs VSI Tandem PFC Diodes Efficiency Comparison Efficiency (%) V AC 110V AC 8STH06FP VAC COMP S VAC 8STH06FP VAC COMP S VAC Power Level (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 21/26

22 Misure sull applicazione Concorrente Q Tandem vs VSI Tandem PFC Diodes Efficiency Comparison VISHAY HPP TANDEM vs COMPETITOR Q TANDEM V AC Efficiency (%) STH06FP VAC 8STH06FP VAC COMP Q VAC COMP Q VAC V AC Power Level (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 22/26

23 Misure sull applicazione test su strada: Alimentatore per Server AC Line Voltage Range AC Line Frequency Converter Frequency Output Voltage MAX Output Current MAX Output Power V AC 50/60 Hz 70 khz V 82.3 A 1 kw Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 23/26

24 Misure sull applicazione: Alimentatore per Server 110V AC T AMB = 60 C Vin 110VAC, Tamb 60 C 90.0% 85.0% Efficiency 80.0% 75.0% 70.0% 8S2TH06FP 65.0% Pow er (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 24/26

25 Misure sull applicazione: Alimentatore per Server 230V AC T AMB = 60 C Vin 230VAC, Tamb 60 C 90.0% 85.0% Efficiency 80.0% 75.0% 70.0% 8S2TH06FP 65.0% Pow er (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 25/26

26 Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 26/26

27 Grazie Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 27/26