Полупроводниковые инновации для более быстрых, безопасных и высокоэффективных зарядных станций EV

Полупроводниковые инновации для более быстрых, безопасных и высокоэффективных зарядных станций EV

По мере роста автопарков электромобилей спрос на зарядную инфраструктуру, способную быстро, надёжно и с минимальными потерями доставлять энергию, никогда не был так высок. Современные EV имеют более крупные батарейные паки, требующие быстрых DC-решений для зарядки. Станция 150 или 200 кВт может зарядить EV до 80% — достаточно для ~250 км — примерно за 30 минут, в то время как последние стандарты Combined Charging System (CCS) и Chao de Move поднимают планку до 400 кВт.

Ключевые прорывы в полупроводниках — высоковольтные ключи, высокочастотные преобразователи и многоуровневые каскады питания — делают такой уровень производительности достижимым. Ниже мы рассматриваем технологические энаблеры, объединяющие скорость, безопасность и эффективность.

• Высоковольтные ключи — IGBT и SiC-устройства теперь поддерживают напряжения шины 800 В или даже 1000 В, повышая плотность мощности, но требующие более сильной изоляции.
• Высокочастотные преобразователи — Частоты переключения от сотен кГц до нескольких МГц уменьшают магнитные компоненты, снижают стоимость и повышают плотность. Это требует ультразширокополосного 감сирования тока/напряжения.
• Многоуровневые каскады питания — Для выжимания максимальной эффективности из высоковольтной системы сложные многоуровневые топологии опираются на изолированные драйверы затвора, которые держат переключающие потери низкими, предлагая надёжную защиту.

Технологии изоляции

Соответствие требованиям безопасности критично для зарядных станций, подключённых напрямую к электросети. Изоляция защищает операторов, защищает управляющую электронику от высоковольтных переходных процессов и устраняет проблемы с заземлением. В высоковольтных DC-link системах уровни изоляции варьируются от функциональной (операционной) до усиленной (двойная изоляция) в зависимости от рабочего напряжения.

В современных полупроводниках используются три основных метода изоляции:

• Оптическая изоляция — использует светодиодно-управляемые фотодиоды. Даёт высокую изоляцию, низкую стоимость, но страдает от длинных задержек распространения и ограниченной помехоустойчивости.
• Магнитная изоляция — использует трансформаторную связь. Обеспечивает высокую изоляцию на высоких частотах, но вводит электромагнитный шум и температурно-зависимые потери изоляции.
• Ёмкостная изоляция — передаёт энергию через изменяющееся электрическое поле. Даёт высокую скорость, отличную иммунность к общемодовым переходным процессам (CMTI) и превосходную температурную стабильность — идеально для драйверов затвора и усилителей.
  

  Рисунок 1. Ёмкостная изоляция

Высокополосное 감сирование тока и напряжения

Точное 감сирование критично для мониторинга, защиты и управления на каждой стадии потока мощности зарядной станции — от коррекции коэффициента мощности до DC-DC преобразования. Рисунок 2 иллюстрирует ключевые точки 감сирования.

Рисунок 2. Блок-схема зарядной станции EV

SiC и GaN ключи позволяют работать на частотах до нескольких мегагерц, требуя быстрых, линейных и температурно-стабильных датчиков. Две парадигмы 감сирования доминируют:

• Прямое 감сирование — шунтирующие резисторы (падение 50 мВ или 250 мВ) в связке с изолированными усилителями или сигма-дельта модуляторами. Шунт даёт превосходную DC-точность и линейность по всему диапазону, усиленную изоляцию до 5 кВ и меньший фуутпринт, чем датчики Холла.
• Косвенное 감сирование — датчики Холла детектируют магнитное поле вокруг проводника. Открытые датчики достигают 1 МГц полосы; закрытые (350 кГц) дают лучшую точность за более высокую цену. Датчики Холла превосходят в детектировании короткого замыкания, критичном для SiC ключей, выдерживающих только 1–3 мкс до аварии.

Изолированные драйверы затвора

Драйверы затвора соединяют широтно-импульсный модулятор с высоковольтным ключом. Они должны источать и стокать пиковые токи на гигагерцевых скоростях, держать задержки распространения низкими и согласовывать времена управления для параллельных MOSFET. Для высоковольтных применений усиленная изоляция защищает от общемодовых переходных процессов (CMTI > 100 В/нс) и утечки.

Ключевые особенности для зарядных станций следующего поколения включают:

• Широкий диапазон напряжений питания и совместимость с IGBT, SiC и GaN устройствами.
• Устойчивость к EMI и высоким температурам.
• Интегрированные пины DESAT и активные зажимы Миллера для быстрого обнаружения короткого замыкания и предотвращения ложного включения.
• Низкое активное сопротивление и низкую выходную ёмкость для повышения плотности мощности до 33% — особенно ценно для переносимых DC быстрых зарядок, полагающихся на естественную конвекционную охлаждение.

Резонансные архитектуры в сочетании с нулевым напряжением и нулевым током переключения дополнительно подавляют переключающие потери, повышая общий КПД.

Заключение

По мере роста уровней мощности и напряжений зарядных станций острает потребность в высокоплотных, надёжных и безопасных преобразователях мощности. Производители переходят от обычных IGBT к SiC и GaN устройствам, работающим на сотнях кГц — мегагерцах. В сочетании с высокополосными датчиками и продвинутыми изолированными драйверами затвора эти технологии делают реалистичной зарядку EV до полной дальности за время чашечки кофе.

Соавтор Хариш Рамакришнан, системный инженер, Texas Instruments.

Индустриальные статьи предоставляют партнёрам технические инсайты. Все мнения отражают позицию авторов, не All About Circuits.