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
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
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
Normative PFC Esistono diverse normative riguardo alla compatibilità elettromagnetica ed al Power factor in Europa (IEC 61000-3-2:2007-04 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% 0.9 @ 100% 82% 85% 82% 0.9 @ 50% 85% 88% 85% 0.9 @ 50% http://www.energystar.gov 87% 90% 87% 0.9 @ 50% http://www.80plus.org/ Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 4/26
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
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
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
Famiglie diodi FRED 600V Pt-doped t rr Vf @ If=8A Vs Trr @ If=8A, di/dt=500a/µs, Vr=390V, Tj=25 C (soft mode) DCM Trr @ If=8A, di/dt=500a/µs, Vr=390V, Tj=25 C ( 80 70 60 50 40 30 20 ETL Series PFC Power Range 70W 300W 800W+ ETU Series ETH Series ETX Series CCM 10 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 Vf @ If=8A, Tj=25 C (V) V F Tandem Diode Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 8/26
Famiglie diodi FRED 600V Pt-doped Supera i compromessi attuali t rr Trr @ If=8A, di/dt=500a/µs, Vr=390V, Tj=25 C ( 80 70 60 50 40 30 20 Vf @ If=8A Vs Trr @ 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 10 1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70 1.80 1.90 2.00 2.10 2.20 2.30 2.40 2.50 2.60 2.70 Vf @ If=8A, Tj=25 C (V) V F Tandem Diode Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 9/26
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
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
2x300V Fred Tandem Perche due in serie? n p n n p p Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 12/26
2x300V Fred Tandem REGIONE INVERSA n p n p - - - - - - - - - - - + + + + + + + + - - - - - - - - - - - + + + + + + + + 300V 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
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
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
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
Misure sull applicazione il terreno di gioco Il confronto viene eseguito su una scheda demoboard PFC: AC Line Voltage Range 90 260 V AC AC Line Frequency 50 Hz Converter Switching Frequency 100kHz Output Voltage 386VDC Maximum Output Power 300W Power Factor (@115VAC / 300W) 0.995 Operating Ambient Temperature 30 C Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 17/26
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
Misure sull applicazione VSI Tandem vs VSI FRED PFC Diodes Efficiency Comparison VISHAY HPP TANDEM vs VSI HPP HYPERFAST 98.00 97.00 96.00 220 V AC Efficiency (%) 95.00 94.00 8STH06FP - 110 VAC 8STH06FP - 220 VAC 8ETX06PBF - 110 VAC 8ETX06PBF - 220 VAC 93.00 110V AC 92.00 91.00 58 95 134 174 215 252 290 Power Level (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 19/26
Misure sull applicazione Concorrente S Tandem vs VSI FRED PFC Diodes Efficiency Comparison 98.00 97.00 Efficiency (%) 96.00 95.00 94.00 93.00 92.00 220 V AC 110V AC COMP S - 110 VAC COMP S - 220 VAC 8ETX06PBF - 110 VAC 8ETX06PBF - 220 VAC 91.00 58 95 134 174 215 252 290 Power Level (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 20/26
Misure sull applicazione Concorrente S Tandem vs VSI Tandem PFC Diodes Efficiency Comparison 98.00 97.00 Efficiency (%) 96.00 95.00 94.00 93.00 92.00 220 V AC 110V AC 8STH06FP - 110 VAC COMP S - 110 VAC 8STH06FP - 220 VAC COMP S - 220 VAC 91.00 58 95 134 174 215 252 290 Power Level (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 21/26
Misure sull applicazione Concorrente Q Tandem vs VSI Tandem PFC Diodes Efficiency Comparison VISHAY HPP TANDEM vs COMPETITOR Q TANDEM 98.00 97.00 96.00 220 V AC Efficiency (%) 95.00 94.00 8STH06FP - 110 VAC 8STH06FP - 220 VAC COMP Q - 220 VAC COMP Q - 110 VAC 93.00 110V AC 92.00 91.00 58 95 134 174 215 252 290 Power Level (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 22/26
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 100 240 V AC 50/60 Hz 70 khz 12.15 V 82.3 A 1 kw Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 23/26
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% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Pow er (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 24/26
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% 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Pow er (W) Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 25/26
Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 26/26
Grazie Giovanni.Marengo@vishay.com Claudio.Damilano@vishay.com Alberto.Baldi@Vishay.com Power Efficiency Forum Ferrara 16 Settembre 2008 pag 27/26