Pe măsură ce omenirea se străduiește să atingă un climat lipsit de emisii de dioxid de carbon, vehiculele electrice (VE) câștigă cu rapiditate o cotă de piață în fața vehiculelor cu motor cu combustie internă. Cu toate acestea, una dintre problemele legate de vehiculele electrice este anxietatea legată de autonomie, deoarece clienții nu sunt siguri de durata de timp în care vor putea conduce fără ca mașina să trebuiască să fie încărcată. Pentru a combate această problemă, guvernele din întreaga lume investesc masiv în infrastructura de încărcare.
Figura 1: Stații de încărcare a autovehiculelor electrice (©AdobeStock/Mike Mareen)
În prezent, sunt utilizate mai multe tipuri de stații de încărcare, de la stațiile de încărcare Mod 2 și Mod 3 până la stațiile de încărcare rapidă în curent continuu Mod 4, care pot furniza o putere de până la 400 kW ( vezi figura 1)
Aceste stații de încărcare sunt detaliate mai jos.
- Mod 2 și Mod 3 (cabluri active cu IC-CPD și cutii de perete): Aceste stații furnizează energie de curent alternativ pentru a încărca un vehicul electric. (Notă: Mod 1 nu mai este valabil în Europa). Utilizând 3 faze, Mod 2 permite încărcarea unui vehicul electric cu până la 22 kW, în timp ce Mod 3 permite până la 42 kW (~75 km de autonomie pe oră de încărcare).
- Mod 4 Încărcătoare rapide de curent continuu (DCFC): Aceste stații de încărcare pot încărca bateria unui vehicul electric de la 20% la 80% în 30 de minute, în funcție de puterea nominală (50kW până la 400kW) a stației de încărcare și de puterea maximă la care poate fi încărcat vehiculul.
Atunci când se încarcă la domiciliu sau la locul de muncă, sunt suficiente stațiile Mod 2 și Mod 3. Cu toate acestea, stațiile Mod 4 și stațiile de supraîncărcare sunt necesare pentru persoanele care nu au la dispoziție o perioadă prea lungă de timp pentru a încărca bateria, cum ar fi atunci când un șofer face o călătorie mai lungă și utilizează întreaga capacitate a bateriei.
Figura 2: Diagrama bloc a unei subunități Mod 4/DCFC (© CODICO)
Figura 2 prezintă o schemă bloc tipică a unei stații de încărcare rapidă în curent continuu care convertește o tensiune de curent alternativ trifazat într-o tensiune de curent continuu de 250V până la 800V pentru încărcarea vehiculelor electrice. O stație Mod 4 conține, de obicei, mai multe subunități de acest tip, fiecare variind între 30 kW și 75 kW. Această diagramă prezintă multe dintre soluțiile care pot comanda stații de încărcare rapidă în curent continuu, inclusiv drivere cu poartă izolată, module de alimentare izolate, drivere de transformator de polarizare și soluții digitale de izolare cu o sursă de alimentare integrată.
Figura 2 arată că sistemul de încărcare rapidă DC este, în general, alcătuit din două etape de conversie. Prima etapă este o etapă de corecție a factorului de putere (PFC), care convertește tensiunea de curent alternativ de la rețeaua electrică într-o magistrală de tensiune continuă intermediară între 800V și 1300V. Pentru etapa PFC se utilizează în mod obișnuit topologia redresor/invertor trifazat. Această topologie specială se referă la un convertor care poate fi conectat la o rețea electrică trifazată.
În cea de-a doua etapă (denumită și etapa DC/DC), un convertor DC/DC izolat convertește tensiunea continuă intermediară în tensiunea țintă specifică bateriei care se încarcă. Convertoarele LLC și convertoarele în punte completă cu deplasare de fază sunt alegeri topologice comune pentru etapa DC/DC.
Unele dintre provocările legate de proiectarea stațiilor de încărcare de mare putere sunt maximizarea densității de putere, reducerea costurilor și a dimensiunilor. O metodă utilizată în întreaga industrie pentru a crește eficiența este înlocuirea MOSFET-urilor/IGBT-urilor cu FET-uri din carbură de siliciu (SiC). Acest lucru este deosebit de important, deoarece stațiile de încărcare rapidă DC au crescut în putere de la 50 kW până la 400 kW.
Datorită naturii de înaltă tensiune și de mare putere a sistemelor de încărcare rapidă DC Fast, sunt necesare dispozitive izolate pentru a proteja utilizatorii și circuitele de control de joasă tensiune de eventualele pericole și perturbații care ar putea proveni de la circuitele de conversie a energiei de înaltă tensiune. Pentru reducerea riscurilor, pot fi implementate componente suplimentare:
- Drivere cu poartă izolată pentru MOSFET-uri și IGBT-uri SiC, cum ar fi MP18831 și MP18851
- Izolatoare de semnal digital, cum ar fi MPQ27811 și MP27631
- Dispozitive izolate pentru detectarea curentului și a tensiunii, cum ar fi MCS1806 și MCS1803
Rețineți că driverele cu poartă izolată necesită o sursă de polarizare izolată pentru alimentare și că sursele de alimentare pentru driverele de poartă trebuie să poată rezista la tensiuni de izolare ridicate. Cel puțin, sursele de alimentare ale driverelor de poartă trebuie să fie capabile să reziste la tensiunea intermediară a magistralei de curent continuu și trebuie să ofere o capacitanță de izolare redusă pentru a minimiza perturbațiile de la partea de înaltă tensiune la partea de joasă tensiune.
Figura 3: Circuitul de aplicație al MPQ18913 (© CODICO)
Proiectarea unei surse de alimentare izolate pentru driverele de poartă
MPQ18913 este un driver de transformator pentru surse de polarizare izolate. Acest dispozitiv poate funcționa cu FET-uri SiC ca o polarizare izolată pentru driverele de poartă SiC. Topologia Flyback este adesea utilizată pentru surse de alimentare izolate cu scopul de a furniza o ieșire izolată de 18V/-4V care să comande FET-ul SiC. Figura 3 prezintă un circuit de aplicație tipic cu MPQ18913 pentru a obține o ieșire de 18V/-4V. Numărul de ieșiri poate fi configurat în funcție de transformatorul utilizat, iar tensiunea de ieșire poate fi modificată prin intermediul raportului de transformare (n.red.: cunoscut și sub numele de raport de spire al transformatorului).
Figura 4: Topologie LLC (© CODICO)
MPQ18913 poate fi utilizat ca un convertor LLC, care este cea mai eficientă topologie pentru sursele de alimentare ale driverelor cu poartă izolată (vedeți figura 4). Aceste convertoare utilizează un rezervor rezonant LLC, care dispune de o inductanță de magnetizare pentru transferul de energie, precum și de un condensator și o inductanță suplimentare care fac rezervorul să rezoneze la o anumită frecvență. Convertorul folosește această rezonanță pentru a obține o comutație ușoară și pentru a asigura o conversie de putere foarte eficientă. Principalul avantaj al convertoarelor LLC este că inductanța de scurgere creată de transformator poate fi utilizată drept inductanță de rezonanță în rezervor. Acest lucru elimină vârful de tensiune indus de inductanța de scurgere și îmbunătățește eficiența în comparație cu topologiile flyback.
Tabelul 1: Topologia LLC rezonantă vs. topologia flyback
Luând ca exemplu MPQ18913 topologia LLC rezonantă oferă mai multe avantaje notabile în comparație cu o topologie tipică PSR flyback. Unul dintre aceste avantaje este că topologia LLC rezonantă reduce dimensiunea soluției datorită frecvenței de comutație (fSW), care poate ajunge până la 10MHz, în timp ce în cazul topologiei flyback, fSW rămâne sub 400kHz. Acest lucru duce la o dimensiune totală a soluției care este cu 40% mai mică decât o aplicație flyback care utilizează un nivel de putere similar. Un alt avantaj major al topologiilor LLC rezonante este faptul că tensiunea de izolare poate ajunge cu ușurință până la 5kV. Soluțiile flyback tradiționale ating doar 1,5kV, îndeplinind astfel cerințe mai stricte privind tensiunea de izolare. Tabelul 1 compară topologia LLC rezonantă cu topologia flyback.
Concluzie
Sursele de alimentare LLC de înaltă frecvență sunt, de obicei, mai dificil de implementat și de optimizat în proiecte decât convertoarele de joasă frecvență, dar dispozitive precum MPQ18913 simplifică sursele de alimentare LLC oferind caracteristici care includ detectarea automată a frecvenței de rezonanță și tranzistori integrați. În plus, topologiile LLC rezonante reduc dimensiunea soluției, ceea ce crește densitatea de putere pentru stațiile de încărcare de mare putere, cum ar fi cele utilizate pentru încărcarea vehiculelor electrice. Pe măsură ce infrastructura de încărcare electrică continuă să se îmbunătățească, MPQ18913, fiind utilizat pentru a polariza FET-urile SiC, este o alegere perfectă în aplicațiile de încărcare de mare putere, precum și în aplicațiile auto, cum ar fi încărcătoarele de bord, invertoarele de tracțiune și convertoarele DC/DC.
Gabor Lefanti, Inginer de aplicații
+43 1 86305-272
CODICO | www.codico.com | https://www.codico.com/shop
