Consejos de diseño y soluciones para cargadores rápidos de vehículo eléctrico de 25 kW DC

La carga rápida de corriente continua mejora la eficiencia de carga de vehículos eléctricos

La tecnología de carga rápida de corriente continua (DC) es un método crítico para la carga de vehículos eléctricos (EV) modernos, que reduce significativamente los tiempos de carga y mejora la comodidad y eficiencia para el usuario.

Las tecnologías clave involucradas en la carga rápida de corriente continua comienzan con los estándares de carga. Actualmente, existen diversos estándares de carga como CHAdeMO, Combined Charging System (CCS) y Tesla Supercharger, entre otros. Diferentes marcas y modelos de vehículos eléctricos pueden admitir diferentes estándares de carga, por lo que es esencial garantizar la compatibilidad entre el equipo de carga y el vehículo al seleccionar dispositivos de carga. 

Además, la carga rápida de corriente continua (DC) generalmente proporciona una potencia de carga más alta en comparación con la carga de corriente alterna (AC), lo que permite una transferencia rápida de energía a la batería. El nivel de potencia de carga tiene un impacto significativo en la velocidad y eficiencia de la carga. Por lo tanto, es crucial elegir la potencia de carga adecuada según los requisitos del vehículo eléctrico (EV) y las especificaciones del equipo de carga.

La carga rápida de CC requiere equipos de carga dedicados, generalmente instalados en estaciones de carga o lugares específicos. Durante la carga, es importante prestar atención a los problemas de seguridad de la carga, incluida la prevención de sobrecalentamiento, sobrecarga u otros riesgos de seguridad. En general, tanto el equipo de carga como el vehículo eléctrico están equipados con mecanismos de seguridad. Sin embargo, los usuarios deben mantenerse atentos a cualquier anomalía durante el proceso de carga y tomar medidas rápidas para resolver o detener la carga si es necesario. En comparación con la carga lenta, la carga rápida de CC ejerce un mayor impacto en la batería. Por lo tanto, se recomienda controlar moderadamente la frecuencia de la carga rápida de CC para evitar un uso excesivo, lo que puede afectar la vida útil y el rendimiento de la batería.

Si bien la tecnología de carga rápida en corriente continua mejora eficazmente la velocidad y la conveniencia de la carga de los vehículos eléctricos, es importante considerar los estándares de carga, la potencia de carga, el equipo de carga y los problemas de seguridad al cargar, para garantizar un proceso de carga seguro y confiable.

Los módulos SiC son componentes clave en la tecnología de carga rápida de CC

Los módulos de carburo de silicio (SiC) son componentes esenciales en la tecnología de carga rápida de CC, que incluyen MOSFETs de SiC y diodos de SiC. Los módulos de refuerzo se utilizan en las etapas de CC-CC de inversores solares, aprovechando MOSFETs de SiC y diodos con una clasificación de 1200V.

Los módulos SiC son módulos de potencia que utilizan semiconductores de carburo de silicio como sus interruptores, con el objetivo de convertir la energía de manera eficiente y, por lo tanto, mejorar la eficiencia del sistema. La función principal de los módulos SiC es la conversión de energía. El carburo de silicio ofrece ventajas sobre el silicio debido a su menor resistencia para alejarse de la fuente (lo que mejora la eficiencia), lo que permite que los dispositivos SiC operen a frecuencias de conmutación más altas. Los sistemas basados en SiC son más compactos y livianos en comparación con las soluciones de silicio, lo que permite diseños más pequeños. Por lo tanto, los dispositivos SiC son una solución ideal para mejorar la eficiencia y optimizar la gestión térmica.

Para abordar los desafíos que enfrenta la carga rápida de CC, onsemi innova continuamente en tecnología SiC y en soluciones de empaque, con el objetivo de simplificar el proceso de diseño de los cargadores de vehículos eléctricos. Aprovechando un portafolio integral de soluciones de potencia discreta y analógica, dispositivos de protección, sensores y productos de conectividad, onsemi ofrece componentes de alta calidad y sistemas personalizados adaptados a las necesidades de los clientes. Con más de 20 años de experiencia acumulada en sistemas, onsemi integra todas estas tecnologías para proporcionar soluciones completas para la carga de vehículos eléctricos.

Desafíos de diseño en cargadores rápidos de vehículos eléctricos

Diseñar un cargador rápido de vehículos eléctricos (EV) compacto, eficiente y confiable no es una tarea fácil. Además del circuito de conversión de potencia real, las tecnologías de protección del hardware son cruciales, lo que requiere que los diseñadores analicen varios escenarios de "qué pasaría si". Las soluciones incluirán amortiguadores formados por redes pasivas RC y componentes de bloqueo. 

Los voltajes y/o corrientes excesivos siempre son motivo de preocupación, lo que requiere protección para garantizar que los semiconductores de potencia no sean dañados. Una técnica implica agregar un comparador de voltaje con umbrales definidos y histéresis. Si se detecta una sobretensión, este comparador bloqueará los controladores de puerta.

El sobrecorriente puede ser más desafiante, aunque el controlador de compuerta NDC57000 de onsemi cuenta con protección contra desaturación por sobrecorriente (DESAT), abordándolo con un impacto mínimo en la Lista de Materiales (BOM) y el costo del producto. Estas protecciones de hardware son especialmente críticas durante las pruebas y la depuración, particularmente en las fases de inicio cuando es más probable que ocurran conmutaciones imprevisibles. 

El NDC57000 puede utilizarse en la etapa de Corrección del Factor de Potencia (PFC) para proteger los módulos integrados de potencia SiC (PIMs), explicando la metodología de prueba para evaluar el umbral de corriente de disparo DESAT, lo cual es una prueba funcional necesaria. Los condensadores de enlace de corriente continua se usan para proporcionar la corriente máxima de disparo requerida e inyectar pulsos en la puerta para activar los módulos, permitiendo que la protección DESAT se active. Como resultado de las pruebas, los valores teóricos pueden compararse con los valores prácticos y realizar los ajustes de diseño correspondientes. 

Para el convertidor DC-DC de puente activo dual (DAB) principal, el NDC57000 también puede utilizarse, basándose en caídas de voltaje para monitorear los niveles de corriente. Sin embargo, este método es sensible a las características del dispositivo, y aunque se incluye algo de información en las hojas de datos, todavía es necesaria la validación de prototipo.

Otro enfoque es simular antes de fabricar prototipos para establecer parámetros con mayor precisión. Esto permite la simulación no destructiva y la comprensión de los efectos de cortocircuito primarios y secundarios. La mejora discreta de la protección DESAT ofrece una solución con un amplio rango de voltaje operativo para los diseñadores de etapas DC-DC con rangos de voltaje de salida de 200-1000V.

Una ventaja significativa de la tecnología SiC es su capacidad para operar a altas frecuencias. Sin embargo, esto implica tasas de cambio rápidas dv/dt, que pueden afectar el diseño físico de un cargador rápido de 25 kW. La optimización del diseño es esencial para minimizar la inductancia parásita, especialmente en las trazas de suministro de energía. Además, se necesitan circuitos snubber en múltiples puntos para minimizar sobreimpulsos y oscilaciones que podrían causar daños y problemas de EMI.

El control a nivel de sistema es otra área crucial. En un cargador rápido de 25 kW, se equipan múltiples controladores de lazo cerrado dentro del PFC y el DAB para controlar parámetros como el equilibrio de flujo activo en el transformador y el desfase entre primario y secundario para regular el voltaje y la corriente de salida. Un desafío aquí es seleccionar la ganancia de cada lazo para garantizar la estabilidad general del sistema. 

Debido al equipo de alta potencia requerido para las pruebas, los diseñadores suelen construir un arreglo de bucle en el banco con dos etapas PFC y un DAB para permitir pruebas seguras bajo condiciones controladas. Las pruebas en bucle también son aplicables durante la etapa de rodaje en la producción en masa, donde se recupera energía de los dispositivos probados, ahorrando costos significativos de fabricación para alcanzar la misión de reducir emisiones de carbono a nivel mundial.

Controlador IGBT altamente eficiente y confiable

El NCD57000 de onsemi es un controlador de IGBT de un solo canal de alta corriente con aislamiento galvánico interno, diseñado específicamente para una alta eficiencia del sistema y fiabilidad en aplicaciones de alta potencia. Sus características incluyen entradas complementarias, salidas FAULT y Ready de drenaje abierto, abrazadera activa Miller, voltaje negativo de puerta, UVLO preciso, protección DESAT, apagado suave DESAT, soporte para salidas de alta corriente en voltajes Miller Plateau del IGBT (+4/-6 A), corto tiempo de retardo de propagación con coincidencia precisa, alta inmunidad transitoria y electromagnética, y capacidad de aislamiento galvánico de 5 kV con salidas de controlador independientes alta y baja (OUTH y OUTL) para facilitar el diseño del sistema. 

El NCD57000 admite señales de 5V y 3.3V en el lado de entrada y un amplio rango de voltaje de polarización en el lado del controlador, incluyendo capacidad de voltaje negativo. Proporciona aislamiento galvánico de >5 kVrms (valor UL1577) y funcionalidad de voltaje de trabajo de >1200 Viorm. El NCD57000 está empaquetado en un encapsulado SOIC-16 de cuerpo ancho con una distancia de fuga de 8 mm entre entrada y salida para cumplir con los requisitos de aislamiento de seguridad reforzado.

Para acelerar el desarrollo de productos de los clientes, onsemi también ofrece un kit de diseño de referencia para el NCD57000. El SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK es un kit de diseño de referencia para un cargador rápido de vehículos eléctricos de corriente continua de 25 kW basado en módulos de integración de potencia SiC. Esta solución completa de SiC consta de etapas PFC y DC-DC que incorporan múltiples módulos de medio puente SiC NXH010P120MNF1 de 1200V, 10 mohm con RDS(ON) ultrabajo y una inductancia parasitaria minimizada, lo que reduce significativamente las pérdidas por conducción y conmutación. Aprovechando una potente placa de control universal (UCB) con Zynq®-7000 SoC FPGA y procesador basado en ARM®, este sistema proporciona hasta 25 kW de potencia con voltajes de salida que van desde 200V hasta 1000V, logrando un 96% de eficiencia constante para la carga de baterías de vehículos eléctricos de 400V o 800V. 

El SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK también cuenta con el controlador de corriente alta NCD57000 con aislamiento galvánico y la solución de alimentación auxiliar SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB, que proporciona rieles de voltaje estables para componentes de bajo voltaje, control de corrientes de irrupción, protección integrada contra sobretensiones y múltiples interfaces de comunicación.

El SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK admite PFC trifásico y DAB para la conversión de potencia bidireccional de baterías de 400V/800V, cumpliendo con los estándares EN55011 Clase A y IEC 61851. Integra módulos SiC NXH010P120MNF1 con medio puente, MOSFET SiC M1 de 1200V y 10 mohm, junto con controladores de compuerta aislados de alta corriente y alta eficiencia como el NCD57000.

Conclusión

La tecnología de carga rápida DC representa un avance significativo en el campo de la carga de vehículos eléctricos, ofreciendo una forma más conveniente y eficiente de cargar vehículos eléctricos. Con avances continuos y aplicaciones en tecnología, la carga rápida DC se ha convertido en uno de los métodos principales para cargar vehículos eléctricos modernos. Este artículo analiza las técnicas de diseño para un cargador rápido DC de 25 kW y las soluciones relacionadas introducidas por onsemi, destinadas a acelerar el desarrollo de productos de carga rápida DC y obtener una ventaja competitiva en el mercado.