Технологические возможности для более быстрых, безопасных и высокоэффективных зарядных устройств для электромобилей

В этой статье рассматриваются полупроводниковые технологии, которые используются в зарядных устройствах для электромобилей, включая высоковольтные полупроводниковые переключатели, преобразователи мощности и многоуровневые сложные силовые каскады.

По мере увеличения количества электромобилей (EV) растет потребность в создании более энергоэффективных систем зарядной инфраструктуры, которые могут заряжать автомобили быстрее, чем когда-либо прежде. Новые электромобили имеют больший запас хода и большую емкость аккумулятора, чем их предшественники, что требует разработки решений для быстрой зарядки постоянным током для поддержки требований к быстрой зарядке. Зарядной станции мощностью 150 или 200 кВт требуется примерно 30 минут, чтобы зарядить электромобиль до 80%, что достаточно для проезда примерно 250 км. Быстрая зарядная станция постоянного тока, соответствующая стандартам Combined Charging System и Charge de Move, может обеспечивать мощность до 400 кВт.

Сегодня мы рассмотрим полупроводниковые технологии, которые делают зарядные устройства более быстрыми, безопасными и эффективными:

• Высоковольтные полупроводниковые переключатели (биполярный транзистор с изолированным затвором [IGBT] и карбид кремния [SiC]) повышают напряжение на шине (800 В или 1000 В) в системе. С повышением напряжения в системе возникает потребность в технологиях изоляции для обеспечения общей безопасности и надежности.
• Поскольку преобразователи мощности становятся способными к более быстрым частотам переключения (от сотен килогерц до нескольких мегагерц), работа на этих высоких частотах уменьшает размер магнитных компонентов и других пассивных устройств, используемых в цепи, что затем снижает стоимость системы и улучшает общее удельная мощность. Таким образом, существует потребность в широкополосном измерении тока и напряжения для точного управления и защиты цифровых силовых каскадов.
• Более высокая эффективность требует использования многоуровневых сложных силовых каскадов, что, в свою очередь, требует наличия высоковольтных изолированных драйверов затворов для эффективного переключения этих силовых каскадов и снижения общих коммутационных потерь, а также включает усиленную изоляцию и функции защиты от короткого замыкания. .

Давайте подробнее рассмотрим эти технологии.

Технологии изоляции

Соответствие требованиям безопасности имеет решающее значение для зарядных устройств для электромобилей, поскольку они напрямую связаны с электросетью. Изоляция необходима для обеспечения безопасности оператора, защиты процессоров от повреждений в высоковольтных системах преобразователей энергии, а также для предотвращения контуров заземления и разницы потенциалов между различными подсистемами связи. Контроллеры мощности с архитектурой управления вторичной стороны требуют изоляции не только в силовом каскаде (через изолирующий трансформатор), но также и в управляющей цепи контроллера и связанной с ней схеме формирования сигнала.

Шумовые помехи, вызванные переключением силовых преобразователей, могут отрицательно повлиять на работу системы. Например, когда происходят переходные процессы от переключения силового преобразователя, высокая скорость нарастания может вызвать переходные напряжения на пути прохождения сигнала и создать переходный процесс синфазного напряжения, для которого требуется изолятор с высокой устойчивостью к синфазным переходным процессам (CMTI) для поддержания целостности сигнала. .

Повышение напряжения промежуточного контура на зарядных станциях электромобилей также показывает важность усиленной изоляции для безопасности и надежности оператора. В зависимости от рабочего напряжения различают три основных класса изоляции:функциональную, базовую и усиленную. Функциональная изоляция, также называемая эксплуатационной изоляцией, не защищает и не изолирует от поражения электрическим током, но необходима для функционирования продукта. Базовая изоляция - это одноуровневая изоляция, обеспечивающая базовую защиту от ударов. Усиленная изоляция - это система одинарной изоляции, которая обеспечивает защиту от поражения электрическим током, эквивалентную двойной изоляции.

Для полупроводников возможны различные технологии изоляции:

• В оптической изоляции используется передача света светодиодами через прозрачный непроводящий изоляционный барьер. Его ключевые преимущества - высокие значения гальванической развязки и низкая стоимость. Однако оптическая изоляция также имеет длительное время распространения, низкую помехоустойчивость, более высокий ток покоя и быстрое ухудшение изоляции с температурой и старением. Эти ограничения ограничивают использование технологии оптической развязки экономичными низкоскоростными преобразователями мощности.
• Магнитная изоляция использует индуктивную передачу связи с использованием конструкции катушки трансформатора и обеспечивает высокую изоляцию на высоких частотах. Он обеспечивает лучшее время распространения по сравнению с оптическими технологиями, но имеет высокие проблемы с электромагнитным шумом, низкую помехоустойчивость и ухудшение изоляции из-за температуры и влажности.
• Емкостная изоляция использует изменяющееся электрическое поле для передачи энергии через емкость. Преимущество этой технологии заключается в ее способности работать на высоких скоростях и относительно небольшом корпусе. Он обладает высочайшей надежностью с наилучшей стабильностью изоляции при повышении температуры, наряду с высоким CMTI и низким уровнем излучения.

На рисунке 1 показана емкостная изоляция, которую Texas Instruments использует в своих изолированных драйверах затвора, усилителях и цифровых изоляторах.

Рисунок 1. Емкостная изоляция

Измерение тока и напряжения с широким диапазоном частот

Приложение зарядного устройства для электромобилей использует измерение тока и напряжения для трех основных функций:мониторинга, защиты и управления. В зарядном устройстве электромобиля преобразование энергии из сети обычно происходит в два этапа. Этап коррекции коэффициента мощности преобразует сетевое напряжение в стабильное напряжение промежуточного контура. Затем каскад постоянного / постоянного тока преобразует напряжение постоянного тока в напряжение, подходящее для аккумуляторной батареи электромобиля.

На рис. 2 представлена ​​блок-схема зарядной станции для электромобилей, где точки измерения тока обозначены буквой A, а точки измерения напряжения отмечены буквой V.

Рисунок 2. Блок-схема зарядной станции для электромобилей

Все более широкое использование переключателей из SiC и нитрида галлия (GaN) в силовом каскаде позволило увеличить рабочие частоты (от сотен килогерц до нескольких мегагерц), одновременно предлагая повышенную эффективность и более высокую плотность мощности. Эти силовые каскады требуют точного определения токов быстрого переключения для надежной работы контура управления и обеспечения стабильной работы преобразователя. Быстрое время отклика, перегрев при линейной работе и точное измерение тока и напряжения необходимы для всех мощных систем с высоковольтными ступенями.

Полупроводниковые технологии, которые помогают при измерении тока, в целом можно разделить на прямые и косвенные методы измерения. Прямые методы включают измерение на основе шунтирующего резистора с использованием либо изолированного усилителя, либо изолированного сигма-дельта-модулятора. Падение напряжения на шунтирующем резисторе, которое обычно составляет 50 мВ или 250 мВ (чтобы свести к минимуму потери сопротивления току), формирует вход на этот каскад.

Для изолированного усилителя масштабированное усиление сигнала низкого напряжения отправляется на внешний контроллер для точных измерений тока на высоковольтных шинах при сохранении гальванической развязки.

Изолированный сигма-дельта-модулятор модулирует падение напряжения на шунте непосредственно в цифровой поток битов, который при прямом взаимодействии с сигма-дельта периферией микроконтроллера обеспечивает гораздо более широкую полосу пропускания. Более широкая полоса пропускания сигнала обеспечивает быстрые и точные измерения тока и точное представление сигнала переключения для управления силовым каскадом преобразователя.

Измерение на основе шунта является предпочтительным, поскольку этот метод может обеспечить лучшую точность измерения постоянного тока по температуре по сравнению с решениями на основе эффекта Холла с базовой одноразовой калибровкой. Решения на основе шунта намного более точны, особенно при малых токах, из-за их ограниченной чувствительности к внешним магнитным полям. Решения на основе шунта являются линейными во всем диапазоне напряжений, особенно при переходе через нуль и вблизи области насыщения магнитопровода. Это решение также предлагает усиленную изоляцию до 5 кВ и уменьшенный форм-фактор по сравнению с датчиками Холла.

Косвенные методы включают определение магнитного поля вокруг проводника с током. Например, датчики на эффекте Холла обеспечивают косвенное измерение магнитного поля, создаваемого вокруг проводника, путем измерения тока, протекающего по нему. Датчики Холла с разомкнутым контуром доступны с полосой пропускания до 1 МГц. Датчики с замкнутым контуром имеют полосу пропускания 350 кГц и обеспечивают лучшую производительность по сравнению с датчиками Холла с разомкнутым контуром, но также стоят дороже.

Благодаря своей превосходной полосе пропускания и времени отклика датчики Холла с разомкнутым и замкнутым контуром обеспечивают лучшую защиту SiC-переключателей по сравнению с шунтирующими решениями в условиях короткого замыкания, особенно при переключении на высоких частотах. Время выдержки короткого замыкания SiC-переключателей обычно составляет 1-3 мкс, и для предотвращения короткого замыкания потребуется быстрое обнаружение. Падение напряжения на встроенном шунте приводит к тепловому рассеянию и потерям мощности по сравнению с решениями на основе эффекта Холла, особенно когда измеряемые токи увеличиваются.

Изолированные драйверы шлюза

Высокоскоростные драйверы затвора имеют решающее значение для создания силового модуля, который имеет высокую эффективность, высокую удельную мощность, а также является надежным и прочным. Драйверы затвора служат интерфейсом между широтно-импульсным модулятором на контроллере и переключателем высокой мощности. Для мощных силовых модулей на основе SiC / IGBT требуются драйверы затвора, способные генерировать и потреблять пиковые токи на чрезвычайно высоких скоростях, сводя к минимуму время переключения и переключения и тем самым сводя к минимуму коммутационные потери. Драйверы ворот должны:

• Используйте один и тот же драйвер с широким диапазоном рабочих напряжений и разными типами переключателей питания.
• Быть надежным, чтобы работать в шумной среде и экстремальных температурных условиях.
• Иметь минимальные задержки распространения сигнала при включении, чтобы обеспечить более быстрое переключение полевого транзистора (FET), минимизируя время проводимости основного диода и, таким образом, повышая эффективность.
• Обеспечьте хорошее согласование задержки, чтобы обеспечить управление параллельными металл-оксидными полупроводниковыми полевыми транзисторами (MOSFET) с минимальной разницей в задержке включения.

Для высоковольтных приложений усиленные изолированные драйверы затвора обеспечивают повышенную устойчивость системы к скачкам напряжения (CMTI), токам утечки, вызванным разностью потенциалов, и другим аномальным событиям, которые могут привести к повреждению системы.

В зависимости от размещения контроллера, вероятно, потребуется изоляция между контроллером и драйвером. Традиционный метод изоляции - использование отдельного трансформатора с неизолированным драйвером затвора. Интегрированный драйвер затвора имеет задержку распространения, аналогичную или лучше, чем у решения с дискретным трансформатором, при этом занимая на 50% меньше площади. Кроме того, интегрированный драйвер затвора может быть адаптирован для обеспечения CMTI более 100 В / нс, что значительно выше, чем достижимое с помощью дискретного решения. CMTI - ключевой параметр, определяющий надежность драйвера затвора.

Функции защиты в драйверах затворов необходимы для надежной работы преобразователя. Благодаря преимуществам улучшенной плотности мощности и эффективности SiC и GaN стали потенциальной заменой кремниевых IGBT для различных приложений. SiC MOSFET предъявляет более строгие требования к защите от короткого замыкания; время выдерживания короткого замыкания составляет от 1 до 3 мкс по сравнению с IGBT, что составляет около 10 мкс. Вывод DESAT, интегрированный в драйвер затвора, имеет решающее значение для обеспечения быстрого реагирования при обнаружении коротких замыканий. Встроенная блокировка минимального напряжения и активный зажим Миллера также жизненно важны для предотвращения ложного включения полевых транзисторов, используемых в полумостовых приложениях.

Потребность в портативных быстрых зарядных устройствах постоянного тока с естественным конвекционным охлаждением (которые можно легко взять и хранить в задней части багажника электромобиля) раздвигает границы разработки зарядных устройств для электромобилей с современной плотностью мощности и эффективностью. Переключатели на основе GaN со встроенными драйверами затвора обеспечивают сопротивление в открытом состоянии, быстрое переключение и низкую выходную емкость, что помогает при разработке зарядных устройств для электромобилей с увеличением плотности мощности до одной трети. Резонансные архитектуры, обычно используемые в зарядных устройствах для электромобилей, также выигрывают от переключения при нулевом напряжении и нулевом токе, что снижает потери при переключении и повышает общую эффективность системы.

Заключение

Высокая плотность мощности, надежность и надежность становятся все более важными в преобразователях мощности, используемых в зарядных станциях для электромобилей. С повышением уровней мощности и напряжения важно защитить людей, а также оборудование от опасных условий эксплуатации.

Производители, которые стремятся к высокой плотности мощности и эффективным зарядным устройствам, будут использовать преобразователи мощности на основе IGBT, SiC и GaN с частотами переключения от сотен килогерц до нескольких мегагерц. Датчики высокочастотного тока и напряжения будут иметь решающее значение для разработки на этих платформах.

Технология интеллектуального драйвера затвора обеспечит необходимые высокие уровни напряжения, высокую скорость переключения и потребность в быстрой защите. Учитывая скачок, сделанный в полупроводниковой технологии за последнее десятилетие, вскоре станет возможным зарядить электромобиль до полного диапазона во время короткого перерыва на кофе.

Соавтором этой статьи является Хариш Рамакришнан, системный инженер Texas Instruments.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.