Introducción a los cargadores rápidos de CC de vehículos eléctricos y las topologías de suministro de energía

A pesar de los titulares sobre la desaceleración en la adopción de vehículos eléctricos, los vehículos eléctricos superaron el millón de ventas en EE. UU. en 2023. Junto con este aumento en la propiedad de vehículos eléctricos, la infraestructura de carga está creciendo rápidamente para seguir el ritmo.

Hay tres implementaciones de cargadores principales: L1, L2 y L3:

L1 es el más lento y el menos capaz, ya que utiliza una fuente estándar de 120 VAC. L2 utiliza una fuente de alimentación de 240 VAC y agrega energía de seis a ocho veces más rápido que la carga L1.

Tanto L1 como L2 suministran corriente alterna al vehículo (y técnicamente están clasificados como EVSE, las siglas en inglés de equipo de suministro de vehículos eléctricos, no cargadores per se), lo que requiere que el vehículo realice una conversión de CC internamente para cargar la batería.

Los cargadores L3, sin embargo, suministran directamente corriente CC al vehículo, generalmente a 400 u 800 V CC, lo que permite que el vehículo agregue unos cientos de millas de alcance en menos de una hora.

Dadas estas implementaciones tan diferentes y las diferencias más granulares que existirán entre aplicaciones específicas, es necesario considerar las topologías electrónicas de carga interna. En este artículo, describiremos varias topologías AC-DC diferentes, junto con topologías DC-DC que se pueden usar en aplicaciones de vehículos eléctricos.

Opciones de topología del cargador de vehículos eléctricos de CA a CC

PFC (corrección del factor de potencia) de totem-pole monofásico

PFC de totem-pole monofásico

La topología PFC de totem-pole monofásico es un diseño relativamente simple con un bajo costo de lista de materiales. Cuenta con dos conmutadores de controlador principal, junto con diodos o MOSFET de R_DSON bajo para proporcionar rectificación. Es inherentemente capaz de operación bidireccional (es decir, vehículo a red, carga V2G), pero el modo de conducción continua (CCM) solo es práctico cuando se usa SiC y conmutación de GaN, no cuando se utilizan componentes de Si más tradicionales.

En general, esta topología tiende a ser menos eficiente debido a las altas pérdidas de conmutación, aunque las pérdidas de conducción son bajas. La eficiencia se puede mejorar utilizando cuatro controladores de etapa de potencia intercalados en lugar de dos, y con el uso de conmutación de SiC y GaN.

Corrección del factor de potencia fijada del punto neutro monofásico (PFC NPC)

PFC NPC monofásico

La topología NPC monofásica convierte la corriente alterna en salidas de tensión CC positivas y negativas, con un punto neutro fijo (o fijado) entre los dos. Esta topología puede producir una distorsión muy baja, con una tensión más baja a través de los conmutadores de potencia, ya que cada nivel de CC maneja solo la mitad del rango total de tensión de CC (a diferencia del funcionamiento de los rectificadores de rango completo). Por lo tanto, en esta topología se pueden implementar conmutadores MOSFET económicos (en lugar de SiC o GaN). Sin embargo, se necesitan cuatro conmutadores y sus controladores asociados, mientras que nominalmente solo se requieren dos en la topología PFC de totem-pole monofásico.

El funcionamiento bidireccional es posible mediante su operación de conmutación activa. Esta topología se puede mejorar aún más con la conmutación de GaN/SiC cuando se requiere un rendimiento extremadamente alto.

Corrección del factor de potencia (PFC) trifásico de dos niveles

PFC trifásico de dos niveles

La topología PFC trifásica de dos niveles es un circuito rectificador de tipo boost que utiliza seis conmutadores. Es una topología simple desde el punto de vista de la lista de materiales y del circuito y puede acomodar el flujo de energía bidireccional con una eficiencia razonable.

Si bien esta es una forma elegante y sencilla de implementar la conversión de energía trifásica bidireccional, esta topología presenta varios inconvenientes. A diferencia de otras topologías analizadas aquí, los conmutadores deben poder bloquear toda la tensión del bus. Por ejemplo, una salida de 800 V CC requeriría conmutadores de SiC con clasificación de 1200 V o dispositivos con capacidad similar para su regulación. El funcionamiento adecuado también requiere un inductor de filtro para regular la corriente de entrada a valores bajos de distorsión armónica total (THD). La EMI es alta en comparación con otras topologías de PFC y las cargas de tensión de rango completo que experimentan los componentes pueden afectar la confiabilidad a largo plazo.

Rectificador Vienna

Rectificador Vienna

El rectificador Vienna, patentado en 1993, es apropiado para aplicaciones de corrección del factor de potencia trifásico de alta potencia. Puede funcionar en modo de conducción continua (CCM) y es relativamente sencillo de controlar. Esta topología permite una mayor eficiencia a frecuencias de conmutación elevadas en comparación con configuraciones PFC de dos niveles, utilizando MOSFET de Si o IGBT y diodos Schottky de SiC según su diseño de tres niveles. La topología del rectificador Vienna proporciona alta eficiencia y baja THD.

Un inconveniente característico del rectificador Vienna es que nominalmente solo admite la conversión de energía unidireccional de la red de CA a aplicaciones de CC (es decir, carga de vehículos eléctricos). Sin embargo, la energía bidireccional se puede implementar reemplazando los diodos de energía con conmutadores activos.

PFC trifásico con punto neutro fijado (NPC)

PFC NPC trifásico de tres niveles

La topología NPC trifásica, similar a la topología NPC monofásica analizada anteriormente, amplía el concepto de conmutación a tres fases. Al igual que en la versión monofásica, cada controlador solo necesita manejar la mitad de la tensión del bus. Esto reduce las pérdidas de conmutación y la carga de tensión y permite el uso de componentes de 600 V más rentables en comparación con los tipos de 1200 V. Por lo tanto, la topología NPC trifásica se puede implementar con tecnología Si, SiC o GaN, dependiendo de los requisitos. Esta topología es capaz de realizar conversión de energía bidireccional y es una excelente opción para conmutar frecuencias superiores a 50 kHz, gracias a sus bajas pérdidas de conmutación y su alta eficiencia.

Se requieren nueve controladores de puerta para el control NPC trifásico, a diferencia de los cuatro necesarios para la versión monofásica, cada uno de los cuales necesita su propio circuito de control. Para una mejor administración térmica, los diodos NPC se pueden reemplazar por conmutadores activos, creando una topología de punto neutro activo fijado (ANPC). Cada una de estas topologías de NPC es bastante compleja, tanto desde el punto de vista de la lista de materiales como de los circuitos.

Trifásico, tres niveles, tipo T, punto neutro fijado (TNPC)

PFC NPC tipo T trifásico de tres niveles

Esta topología funciona de manera similar a la configuración del circuito PFC trifásico de dos niveles descrita anteriormente, pero agrega un conmutador bidireccional activo desde cada línea de CA trifásica hasta el punto medio del enlace de CC. Aquí, el lado alto y el lado bajo de cada conversión de CA a CC aún necesitarían ser conmutados en su totalidad y, por lo tanto, requerirían conmutadores capaces de esta regulación (por ejemplo, IGBT de 1200 V y diodos para un rango de enlace de 800 V CC). . Sin embargo, la configuración de conmutación bidireccional al punto medio del enlace de CC solo es necesaria para regular la mitad de esta tensión y, por lo tanto, puede implementarse con dispositivos de menor potencia.

En general, las pérdidas de conversión son bajas en comparación con las topologías NPC, pero las pérdidas de conmutación generales son altas según los conmutadores utilizados para bloquear todo el rango de tensión. Presenta una mayor eficiencia en comparación con las topologías NPC, junto con un diseño algo más simple y un menor número de componentes. Se puede utilizar para conmutación bidireccional y ofrece un buen rendimiento THD.

Opciones de topología del cargador de vehículos eléctricos de CC a CC

Además de invertir la energía de CA a CC, se debe suministrar la tensión de CC correcta al vehículo o a la batería. Aquí también existen varias opciones.

Topologías de energía de las estaciones de carga de vehículos eléctricos: CA/CC

Puente completo desfasado (PSFB)

Puente completo desfasado (PSFB)

En esta topología, se implementan cuatro conmutadores en el lado primario de una configuración de puente de transformador de CC, junto con un inductor. La alimentación de CC de entrada se desfasa a través de un controlador que detecta la tensión en la corriente tanto en el lado primario como en el secundario, pero solo acciona los conmutadores en el lado primario. El lado secundario utiliza diodos para regular la potencia de salida desfasada.

Esto se utiliza únicamente para transferencia de energía unidireccional. La eficiencia suele ser baja, con pérdidas de conducción moderadas y pérdidas de conmutación altas. El costo de esta topología es moderado, con una configuración de control simple, por lo que vale la pena considerarla en algunos casos.

Convertidor resonante LLC

Convertidor resonante LLC

El convertidor resonante LLC es similar a la topología PSFB, pero agrega un capacitor en el lado primario. Los conmutadores activos en el lado primario regulan la potencia de entrada. El sistema es más eficiente cuando se opera cerca de su frecuencia de resonancia inherente. Esto permite el encendido ZVS (conmutación de tensión cero) y el apagado ZCS (conmutación de corriente cero).

Esta topología permite únicamente la transferencia de energía unidireccional. El diseño de control desde el punto de vista general del circuito es el mismo que el de un PSFB, pero la implementación real puede ser más difícil, especialmente en funcionamiento paralelo y sincrónico, y a menudo requiere lógica de control externa. El rendimiento de EMI es mejor que el de las topologías conmutadas de forma rígida, como el PSFB. La eficiencia general es alta, con bajas pérdidas de conmutación y altas pérdidas de conducción. El costo de implementación es moderado y generalmente más bajo que el de una configuración de puente activo dual.

Puente activo dual (DAB)

Puente activo dual (DAB)

El diseño del convertidor de puente activo dual es casi el mismo que la topología PSFB descrita anteriormente. Los conmutadores activos en el primario proporcionan cambio de fase; sin embargo, el secundario utiliza una serie de cuatro conmutadores activos (por ejemplo, dispositivos de SiC o GaN) en lugar de diodos para regular esta fuente de alimentación. Esto permite la transferencia de energía bidireccional, así como un control más granular en su operación de conversión de energía de primaria a secundaria.

Además de sus características de uso bidireccional, esta configuración de control activo puede proporcionar una mejor eficiencia general que las topologías PSFB, con pérdidas de conducción muy bajas. Sin embargo, seguirá experimentando elevadas pérdidas de conmutación. El control, aunque sencillo, es más complicado que la configuración del PSFB. Se debe utilizar un controlador de puerta en los lados secundario y primario del transformador. El costo de esta topología es comparativamente alto.

DAB en modo CLLC

DAB en modo CLLC

El DAB en modo CLLC es el camino para aquellos que quieren obtener la mayor eficiencia para la etapa CC-CC. Funciona como una LLC, pero utiliza conmutadores activos en el lado secundario, lo que le otorga funcionalidad bidireccional. Sin embargo, se limita a los rangos de potencia que se encuentran en los cargadores integrados, ya que es muy difícil lograr un paralelo con esta topología.

Si bien puede soportar un amplio rango de tensión de batería con buena eficiencia, tiene un rango de operación muy limitado con una tensión de bus fija. Además, el riesgo de saturar el núcleo del transformador se ve mitigado por la presencia de capacitores tanto en el lado primario como en el secundario. De manera similar que con el DAB, el costo de esta implementación es comparativamente alto.

Consideraciones al elegir una topología de carga de vehículos eléctricos

Al considerar una topología para la rectificación CA-CC, así como la conversión CC-CC en el contexto de carga de vehículos eléctricos, primero considere si trabajará con sistemas trifásicos o alimentación de CA monofásica, junto con la topología desde el punto de vista del tiempo de carga, la confiabilidad, la generación de calor y el espacio. Una vez seleccionada la topología general, puede profundizar en el costo de las piezas individuales y los circuitos. Considere regresar al nivel de topología o incluso a criterios de diseño de nivel superior si es necesario.

La buena noticia es que existe una amplia gama de topologías, así como opciones de componentes, disponibles para satisfacer los requisitos de su proyecto. Si necesita un punto de partida, eInfochips, una empresa de Arrow, ofrece un diseño de referencia de 30 kW que puede utilizarse en la puesta en marcha el proceso de diseño.

Ver Productos relacionados

IPT60R022S7XTMA1

Infineon Technologies AG MOSFETs Ver

Ver Productos relacionados

NTBG015N065SC1

onsemi MOSFETs Ver