Desarrollo y solución de sistemas de conversión de energía de alta eficiencia

Sistema eficiente de formación de baterías con capacidad de reciclaje de energía

Debido al aumento de aplicaciones alimentadas por baterías, especialmente vehículos eléctricos (EV) y dispositivos portátiles como smartphones, tabletas y herramientas eléctricas, la demanda global de baterías de ion de litio está aumentando. El proceso de formación de la batería activa las químicas de litio a través de ciclos de carga y descarga controlados con precisión, transformando dichas químicas en un formato utilizable. Por lo tanto, el sistema de formación de baterías necesita alta densidad de potencia para aumentar los canales de carga y descarga, junto con una conversión de potencia eficiente con capacidad de reciclaje de energía y procesamiento de potencia bidireccional.

El sistema formado por la fuente de alimentación desde la red de CA hasta la batería formateada incluirá una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) como interfaz con la red de CA, una etapa de CC-CC aislada para aislamiento de corriente y reducción de voltaje, y una etapa de CC-CC no aislada para proporcionar voltajes de carga y descarga precisos para un control óptimo de las corrientes de carga y descarga. Todas las etapas se basan en tecnología de convertidores conmutados en lugar de reguladores lineales. El enfoque de convertidor conmutado permite que el sistema de formación mejore la eficiencia energética, la densidad de potencia y proporciona la posibilidad de reciclaje energético utilizando el mismo hardware, reduciendo así los costos de fabricación de baterías.

Para cumplir con los requisitos de alta densidad de potencia, alta eficiencia y reciclaje de energía en sistemas confiables de formación de baterías, Infineon ofrece una variedad de productos, incluidos dispositivos de potencia, circuitos integrados de controladores y microcontroladores. La etapa central del sistema de formación de baterías puede dividirse en la etapa PFC, la etapa aislada DC-DC y la etapa no aislada DC-DC.

Infineon recomienda utilizar las series 600 V CoolMOS™ C7 y P7 como interruptores activos en estas topologías PFC para una conversión de energía eficiente. El CoolSiC™ Schottky Diode 650 V G6 es el interruptor pasivo recomendado, ofreciendo únicamente una caída de voltaje directo de 1,25 V, reduciendo las pérdidas de conducción en la etapa PFC.

Al igual que el diseño de fuentes de alimentación conmutadas en modo servidor de alta eficiencia (SMPS), la topología de conmutación de voltaje cero (ZVS) se suele aplicar a la etapa aislada de DC-DC del sistema de formación de baterías. Dos topologías típicas son los convertidores LLC de medio puente y los convertidores de puente completo con cambio de fase ZVS. De acuerdo con la selección del controlador, Infineon recomienda 600 V CoolMOS™ CFD7, P7 y C7 como MOSFETs del lado primario de LLC.

El controlador del sistema de formación instruye a los convertidores no aislados para que carguen sus respectivas baterías y, por lo general, inicia el proceso de descarga al mismo tiempo que otros convertidores no aislados del sistema. Dependiendo de la frecuencia de conmutación del convertidor, el diseñador puede elegir la familia de Infineon más adecuada. Se recomienda StrongIRFT™ cuando la frecuencia de conmutación es igual o inferior a 100 kHz, mientras que OptiMOS™ 5 proporciona menos pérdida de potencia a frecuencias de conmutación superiores a 100 kHz.

El sistema de almacenamiento de energía resuelve el problema de la segunda vida de las baterías de los vehículos eléctricos

El almacenamiento de energía siempre ha sido una parte indispensable de la generación, transmisión, distribución y consumo de energía. Con el crecimiento continuo de la generación de energía renovable, el patrón energético está experimentando cambios tremendos. El Sistema de Almacenamiento de Energía (ESS, por sus siglas en inglés) proporciona una amplia gama de métodos técnicos para gestionar la oferta y la demanda, crear una infraestructura energética más flexible y aportar ahorros de costos a las empresas de servicios públicos y a los consumidores. La tecnología ESS basada en baterías puede responder a interrupciones eléctricas en menos de un segundo, aprovechando la energía limpia de plantas solares o eólicas ubicadas en el lugar.

La experiencia única de Infineon en generación de energía, transmisión, conversión de potencia y gestión de baterías lo convierte en el socio perfecto para avanzar en las soluciones ESS en términos de eficiencia, innovación, rendimiento y costo óptimo. La experiencia única y el portafolio de productos de Infineon proporcionan soluciones de última generación que reducen el esfuerzo de diseño, mejoran el rendimiento del sistema, aceleran el tiempo de comercialización y optimizan los costos del sistema.

Las tres tendencias clave de ESS son el carburo de silicio (SiC), el enfoque multimodular de las baterías de segunda vida y el desarrollo del sistema de gestión de baterías (BMS). El miembro más nuevo de la cartera de SiC de Infineon, la familia CoolSiC™ MOSFET 650 V, es el producto del proceso de semiconductores de trinchera más avanzado y optimizado, que no hace concesiones para lograr la menor pérdida en aplicaciones y la mayor fiabilidad en operación.

En una era de creciente popularidad de las soluciones para vehículos eléctricos, es previsible que el mundo tenga que enfrentarse a una gran cantidad de baterías de vehículos eléctricos usadas en el futuro. Una de las principales ventajas de la arquitectura modularmente escalonada y multinivel es que permite dar una segunda vida a las baterías. Por ejemplo, es adecuada para baterías que han alcanzado el final de su ciclo de vida y que ya no pueden utilizarse en vehículos eléctricos. Para resolver el problema de la eliminación de baterías en vehículos eléctricos, Infineon ha desarrollado arquitecturas modularmente escalonadas y multinivel, que aprovechan las ventajas de MOSFETs de alta eficiencia y bajo voltaje, como la familia OptiMOS™ líder en el mercado de Infineon.

El sistema de gestión de batería implementa dos funciones de alto nivel en aplicaciones ESS, concretamente la protección de batería y la supervisión de batería, y la línea de productos de gestión de batería de Infineon y su diseño de referencia pueden ayudar a desarrollar con éxito aplicaciones alimentadas por batería más eficientes, duraderas y fiables. El TLE9012AQU de Infineon es un CI de sistema de supervisión y balanceo de batería multicanal diseñado para paquetes de baterías de ion-litio utilizados en aplicaciones automotrices, industriales y de consumo. El TLE9012AQU implementa cuatro funciones principales: medición de voltaje de celdas, medición de temperatura, balanceo de celdas y comunicación aislada con el controlador principal de la batería. Además, el TLE9012AQU ofrece las herramientas de diagnóstico necesarias para garantizar el funcionamiento correcto de la batería controlada y detectar cualquier falla.

Convertidor DC/DC bidireccional para almacenamiento de energía fotovoltaica

En el siglo XXI, la energía eléctrica se ha convertido en una parte indispensable de nuestra vida y nuestro trabajo. La energía primaria tradicional utilizada principalmente por los seres humanos es la energía fósil, como el petróleo, el gas natural y el carbón. La energía fósil se ha ido agotando gradualmente en el desarrollo y progreso acelerado de la sociedad humana y la ciencia y la tecnología durante más de 100 años.

Además del impacto de la crisis energética, el uso de energía primaria tradicional para generar electricidad emitirá una gran cantidad de gases ácidos como CO₂, SO₂ y NOx a la atmósfera, aumentando la cantidad de lluvia ácida en todo el mundo y causando efecto invernadero. La combustión de energía tradicional para la generación de electricidad también provocará smog grave, lo cual perjudicará a las plantas y al cuerpo humano.

La energía solar en la energía verde es una clave importante para resolver el problema energético. Hay dos estructuras principales del sistema de almacenamiento de energía fotovoltaica: MPPT + Buckboost bidireccional + PCS, MPPT + DC/DC + PCS. La diferencia entre ellas es que el extremo posterior del Buckboost bidireccional está conectado a una batería de alto voltaje y el extremo posterior del DC/DC bidireccional está conectado a una batería de bajo voltaje.

Un convertidor DC/DC bidireccional es una operación de dos cuadrantes de convertidor DC/DC. La polaridad de voltaje de entrada y salida no cambia, y la dirección de la corriente de entrada y salida puede modificarse. En términos generales, el DC/DC bidireccional puede dividirse en tipos aislados y no aislados. Los convertidores DC/DC bidireccionales aislados son ampliamente utilizados, y la topología de circuitos tiene muchas formas de conversión.

En la actualidad, el DC/DC bidireccional de la parte de almacenamiento de energía fotovoltaica utiliza mayormente CLLC de circuito de conversión y topología de puente completo con cambio de fase. La mayoría de los dispositivos de potencia en DC/DC son IGBT, y la frecuencia de conmutación se controla aproximadamente a 20K. Arrow Electronics y los fabricantes de chips han desarrollado el diseño de la parte DC/DC con un esquema puro de SIC, que puede alcanzar una frecuencia de conmutación de 200K y una eficiencia del 96%.

Arrow Electronics presentó un diseño de referencia de convertidor de potencia bidireccional para almacenamiento de energía, que incluye topología de PFC tipo tótem + CLLLC. Funciona a alta frecuencia de conmutación con MOSFET de SiC para lograr alta eficiencia y reducir el tamaño y el peso. Puede utilizarse en sistemas de carga de alta potencia, como sistemas UPS y sistemas de energía solar. Este diseño de referencia puede ayudar a los usuarios a acelerar el diseño del sistema de MOSFET de SiC y acortar significativamente el ciclo de desarrollo del producto.

En comparación con el diseño de IGBT, el diseño de referencia del convertidor de potencia bidireccional de Arrow Electronics tiene una reducción del 50% en tamaño, con alta potencia de salida (máximo 6,6 kW) y alta eficiencia (> 93%), admite control digital de salida bidireccional, aislamiento reforzado y firmware funcional listo, admite conversión de potencia bidireccional AC/DC, la potencia máxima de carga de hasta 6,6 kW, y admite voltaje de entrada AC de 200Vac a 265Vac 50Hz, voltaje de salida DC de 60Vdc a 90Vdc, la potencia máxima de inversión de hasta 6,6 kW, la entrada nominal del inversor de 80Vdc y la salida nominal del inversor de 220Vac 50Hz.

Placa de demostración del módulo de potencia LLC de alta eficiencia

La placa de demostración EPC9149, introducida por EPC, es un convertidor LLC de 1 kW, con entrada de 48 V y salida de 12 V, que puede utilizarse como un transformador de CC con una relación de conversión fija de 4:1. Cuenta con FET de GaN EPC2218 con clasificación de 100 V y EPC2024 con clasificación de 40 V, controladores de puerta uP1966A y LMG1020, y un controlador digital de 16 bits Microchip dsPIC33CK32MP102. La placa de demostración EPC9149 tiene una eficiencia máxima del 97.5% a 400 W, una eficiencia de carga completa del 96.7% @ 12 V, una salida de 83.3 A, un tamaño de 22.9 × 58.4 mm (0.90 × 2.30 pulgadas), un diseño de perfil bajo, un grosor total del convertidor de 10 mm sin disipador de calor, un aumento máximo de temperatura de 70 ℃ @ 12 V cuando se instala el kit de disipador de calor, salida de 83.3 A, una frecuencia de conmutación fija de 1 MHz, arranque suave para soporte de carga resistiva completa y una alta densidad de potencia (excluyendo pines) de 1227 W/in3.

Este convertidor es solo para fines de evaluación y no es un convertidor completamente funcional, por lo que no puede utilizarse en el producto final. El EPC9149 cuenta con configuraciones de puente completo en el lado primario y medio puente con derivación central doble en el lado secundario, basadas en los FETs eGaN EPC2218 y EPC2024. La placa EPC9149 también incluye fuentes de alimentación auxiliares para la lógica y los controladores de puerta, alimentadas por el voltaje de suministro principal de la entrada de la placa LLC. Los voltajes de entrada y salida de la placa EPC9149 son medidos por divisores de resistencia y enviados al microcontrolador para fines de control. El módulo utiliza un núcleo de transformador personalizado hecho del material ML91S de Hitachi Metals. La pérdida en el núcleo es baja durante operaciones a alta frecuencia. Dos partes de medio núcleo se insertan desde la parte superior e inferior de la placa, y se agregan espaciadores adecuados en el medio para realizar la inductancia de magnetización requerida.

La gestión térmica es muy importante para garantizar un funcionamiento correcto y fiable, y EPC9149 se utiliza para la evaluación en banco a temperatura ambiente normal. Agregar un disipador de calor o un esparcidor de calor y enfriamiento por aire forzado puede aumentar significativamente la corriente nominal de los dispositivos de potencia. Aun así, se debe tener cuidado de no exceder la temperatura máxima absoluta del chip de 150℃.

El módulo de potencia EPC9149 LLC cuenta con un controlador de señales digitales DSC Microchip DSPIC33CK32MP102. Este dispositivo de núcleo único a 100 MHz incluye un módulo periférico dedicado para aplicaciones de fuente de alimentación en modo conmutado (SMPS), como lógica PWM (modulación por ancho de pulso) rica en funciones con resolución de 250 ps de 4 canales (salida 8x), tres convertidores analógico-digital (ADC) de 3.5 Msps, tres comparadores analógicos con retardo de propagación de 15 ns e integrados con convertidores digital-analógico (DAC), soporte para generación de señales de rampa, tres amplificadores operacionales y un núcleo de procesamiento digital de señales (DSP) con caminos de datos estrechamente acoplados para aplicaciones de control en tiempo real de alto rendimiento. Los dispositivos utilizados son la derivación más pequeña de la familia DSC de núcleo único dsPIC33CK y de núcleo dual dsPIC33CH. Los dispositivos utilizados en este diseño están en un paquete UQFN de 28 pines de 4x4 mm y están especificados para temperaturas ambiente de -40℃ a +125℃.

Conclusión

El sistema de conversión de energía es la base de todo diseño electrónico, al cambiar el tipo de corriente, se producen cambios en el voltaje para satisfacer las necesidades de diversas aplicaciones. Las diversas soluciones presentadas en este documento, enfocándose principalmente en el establecimiento de sistemas de baterías y sistemas fotovoltaicos, son las direcciones de aplicación más actuales. El potencial del mercado es extremadamente impresionante, lo que merece su comprensión más profunda.