Introduction aux chargeurs rapides CC pour véhicules électriques et aux topologies d’alimentation électrique

Malgré les gros titres sur le ralentissement de l’adoption des véhicules électriques, les ventes de ces véhicules ont dépassé le million aux États-Unis en 2023. Parallèlement à cette augmentation du nombre de propriétaires de VE, l’infrastructure de recharge se développe rapidement pour pouvoir suivre le rythme.

Il existe trois grands types de chargeurs, L1, L2 et L3 :

Le type L1, qui utilise une source standard de 120 V CA, est le plus lent et le moins performant. Le type L2 utilise une source d’alimentation de 240 V CA et recharge six à huit fois plus vite que le type L1.

L1 et L2 alimentent tous deux le véhicule en courant alternatif (et sont techniquement classés comme des EVSE, équipement d’alimentation pour véhicule électrique, et non comme des chargeurs proprement dits), ce qui oblige le véhicule à effectuer une conversion vers CC en interne pour charger la batterie.

Les chargeurs L3, eux, alimentent directement le véhicule en courant continu, généralement à 400 ou 800 V CC, ce qui permet de prolonger l’autonomie du véhicule quelques centaines de kilomètres en moins d’une heure.

Face aux différences majeures qui opposent ces divers types et aux différences plus fines qui apparaissent selon les applications, il convient de prendre en compte les topologies électroniques de charge internes. Dans cet article, nous présenterons plusieurs topologies CA-CC différentes, ainsi que les topologies CC-CC qui peuvent être utilisées dans des applications pour véhicules électriques.

Options de topologie de chargeur pour véhicules électriques CA vers CC

PFC (correction de facteur de puissance) monophasé de type mât totémique

PFC monophasé de type mât totémique

La topologie PFC à mât totémique monophasé est une conception relativement simple qui présente un faible coût de nomenclature. Elle comporte deux commutateurs de commande principaux, ainsi que des diodes ou des MOSFET à faible R_DSON pour gérer la rectification. Elle est intrinsèquement capable de fonctionner en bidirectionnel (c’est-à-dire du véhicule vers le réseau, recharge V2G), mais le mode de conduction continue (CCM) n’est pratique que lors de l’utilisation de SiC et de Commutation GaN, sauf dans le cas de l’utilisation de composants Si plus traditionnels.

Globalement, cette topologie tend à être moins efficace en raison de pertes de commutation élevées, bien que les pertes de conduction soient faibles. L’efficacité peut être améliorée en utilisant quatre pilotes de puissance entrelacés au lieu de deux, ainsi qu’en utilisant la commutation SiC et GaN.

Correction du facteur de puissance clampé par le point neutre monophasé (NPC PFC)

PFC NPC monophasé

La topologie NPC monophasée convertit le courant alternatif en sorties de tension continue positive et négative, avec un point neutre fixe (ou clampé) entre les deux. Cette topologie peut produire une très faible distorsion, avec une tension plus faible aux bornes des interrupteurs d’alimentation, car seule la moitié de la plage totale de tension CC est gérée par chaque niveau CC (contrairement au fonctionnement de redresseurs pleine plage). Dans cette topologie, des commutateurs MOSFET économiques peuvent donc être utilisés (plutôt que des SiC ou des GaN). Quatre commutateurs et leurs pilotes associés sont toutefois nécessaires, alors que deux seulement sont requis nominalement dans la topologie PFC à mât totémique monophasé.

Le fonctionnement bidirectionnel est possible grâce à son mode de commutation active. Cette topologie peut être encore améliorée avec une solution de commutation GaN/SiC si des performances extrêmement élevées sont requises.

Correction du facteur de puissance (PFC) triphasé à deux niveaux

PFC triphasé à deux niveaux

La topologie PFC triphasée à deux niveaux est un circuit redresseur de type boost utilisant six commutateurs. C’est une topologie simple, tant du point de vue de la nomenclature que des circuits, qui peut prendre en charge un flux d’énergie bidirectionnel avec une efficacité raisonnable.

Bien qu’il s’agisse d’un moyen simple et élégant de mettre en œuvre une conversion de puissance triphasée bidirectionnelle, cette topologie présente plusieurs inconvénients. Contrairement à d’autres topologies évoquées ici, les commutateurs doivent être capables de bloquer la totalité de la tension du bus. Par exemple, une sortie de 800 V CC nécessiterait des commutateurs SiC de 1 200 V ou des dispositifs de capacité similaire pour la régulation. Un fonctionnement correct nécessite également un inducteur de filtre pour réguler le courant d’entrée à de faibles valeurs de distorsion harmonique totale (THD). Les EMI sont élevées par rapport aux autres topologies PFC et les contraintes de tension sur toute la plage subies par les composants peuvent affecter la fiabilité à long terme.

Redresseur de Vienne

Redresseur de Vienne

Le redresseur de Vienne, breveté en 1993, convient aux applications de correction du facteur de puissance triphasé de haute puissance. Il peut fonctionner en mode de conduction continue (CCM) et son contrôle est relativement simple. Cette topologie améliore l’efficacité à des fréquences de commutation élevées par rapport aux configurations PFC à deux niveaux, utilisant des MOSFET Si ou des IGBT et des diodes Schottky SiC conformément à sa conception à trois niveaux. La topologie du redresseur de Vienne présente un rendement élevé et un faible THD.

L’un des inconvénients caractéristiques du redresseur de Vienne est qu’il ne prend en charge que la conversion unidirectionnelle de l’énergie du réseau CA vers les applications CC (c’est-à-dire la recharge des véhicules électriques). Une alimentation bidirectionnelle peut toutefois être mise en œuvre en remplaçant les diodes de puissance par des commutateurs actifs.

PFC triphasé clampé par le point neutre (NPC)

PFC NPC triphasé à trois niveaux

La topologie NPC triphasée, similaire à la topologie NPC monophasée évoquée précédemment, élargit le concept de commutation à trois phases. Comme pour la version monophasée, chaque pilote n’a besoin de gérer que la moitié de la tension du bus. Cela réduit les pertes de commutation et les contraintes de tension et permet d’utiliser des composants 600 V plus économiques que les types à 1 200 V. La topologie NPC triphasée peut donc être mise en place avec la technologie Si, SiC ou GaN, selon les besoins. Cette topologie peut assurer une conversion de puissance bidirectionnelle et constitue un excellent choix pour les fréquences de commutation supérieures à 50 kHz grâce à ses faibles pertes de commutation et son rendement élevé.

Neuf pilotes de grille sont nécessaires pour un contrôle NPC triphasé, contre quatre pour la version monophasée, chacun nécessitant son propre circuit de contrôle. Pour une meilleure gestion thermique, les diodes NPC peuvent être remplacées par des commutateurs actifs, ce qui crée une topologie ANPC (Active Neutral Point Clamped ou Clampé Activement par le Point Neutre ). Chacune de ces topologies NPC est assez complexe, tant du point de vue de la nomenclature que des circuits.

Triphasé, à trois niveaux, point neutre de type T clampé (TNPC)

PFC NPC triphasé de type T à trois niveaux

Cette topologie fonctionne de manière similaire à la configuration du circuit PFC triphasé à deux niveaux décrite précédemment, mais ajoute un commutateur bidirectionnel actif issu de chaque ligne CA triphasée au point médian du lien CC. Ici, le côté haut et le côté bas de chaque conversion CA-CC doivent toujours être commutés dans leur intégralité et nécessiteront donc des commutateurs pouvant se charger de cette régulation (par exemple, des IGBT 1 200 V et des diodes pour une gamme de liaisons CC 800 V). La configuration de commutation bidirectionnelle vers le point médian du lien CC n’est toutefois nécessaire que pour réguler la moitié de cette tension et peut donc être assurée par des appareils de moindre puissance.

Dans l’ensemble, les pertes de conversion sont faibles par rapport aux topologies NPC, mais les pertes de commutation globales sont élevées en raison des commutateurs utilisés pour bloquer toute la plage de tension. Ce système est plus efficace que les topologies NPC et offre un agencement légèrement plus simple, avec un nombre de composants inférieur. Il peut être utilisé pour assurer la commutation bidirectionnelle et offre de bonnes performances de THD.

Options de topologie de chargeur CC vers CC pour véhicules électriques

Outre l’inversion de l’alimentation CA en CC, il faut aussi fournir une tension CC correcte au véhicule et/ou à la batterie. Là encore, plusieurs options existent.

Topologies d’alimentation des stations de recharge pour véhicules électriques : CA/CC

Pont complet déphasé (PSFB)

Pont complet déphasé (PSFB)

Dans cette topologie, quatre commutateurs sont implémentés du côté primaire d’une configuration avec pont de transformateur CC, ainsi qu’un inducteur. L’alimentation CC d’entrée est déphasée via un contrôleur qui détecte la tension sur le courant des côtés primaire et secondaire, mais ne pilote que les commutateurs du côté primaire. Le côté secondaire utilise des diodes pour réguler la puissance déphasée en sortie.

Cela n’est utilisé que pour un transfert de puissance unidirectionnel. Le rendement est généralement faible, avec des pertes de conduction modérées et des pertes de commutation élevées. Le coût de cette topologie est modéré, avec une configuration de contrôle simple, ce qui mérite d’être pris en considération dans certains cas.

Convertisseur résonant LLC

Convertisseur résonant LLC

Le convertisseur résonant LLC est similaire à la topologie PSFB, mais ajoute un condensateur du côté primaire. Les commutateurs actifs du côté primaire régulent la puissance d’entrée. Le système est plus efficace lorsqu’il fonctionne près de sa fréquence de résonance inhérente. Cela permet d’activer le ZVS (commutation à tension nulle) et de désactiver le ZCS (commutation à courant zéro).

Cette topologie n’autorise qu’un transfert de puissance unidirectionnel. La disposition des commandes du point de vue global des circuits est la même que pour un PSFB, mais la mise en œuvre réelle peut être plus difficile, notamment en fonctionnement parallèle et synchrone, et nécessite souvent une logique de contrôle externe. Les performances EMI sont meilleures que celles des topologies à commutation dure telles que le PSFB. Le rendement global est élevé, avec de faibles pertes de commutation et des pertes de conduction élevées. Le coût de mise en œuvre est modéré et généralement inférieur à celui d’une configuration à double pont actif.

Double pont actif (DAB)

Double pont actif (DAB)

La conception d’un convertisseur à double pont actif est presque identique à celle de la topologie PSFB décrite ci-dessus. Les commutateurs actifs côté primaire assurent le déphasage. Toutefois, le côté secondaire utilise un réseau de quatre commutateurs actifs (par exemple, des dispositifs SiC ou GaN) au lieu de diodes pour réguler cette alimentation. Cela autorise un transfert de puissance bidirectionnel, ainsi qu’un contrôle plus fin de son opération de conversion de puissance primaire vers secondaire.

Outre ses caractéristiques d’utilisation bidirectionnelle, cette configuration de contrôle actif peut entraîner une meilleure efficacité globale que les topologies PSFB, avec de très faibles pertes de conduction. Elle subira cependant toujours des pertes de commutation élevées. Le contrôle, bien que simple, est plus compliqué qu’avec la configuration PSFB. Un pilote de grille doit être utilisé sur les côtés secondaire et primaire du transformateur. Le coût de cette topologie est relativement élevé.

DAB en mode CLLC

DAB en mode CLLC

Le DAB en mode CLLC est la solution pour ceux qui souhaitent obtenir le rendement le plus élevé pour l’étage CC-CC. Il fonctionne comme un LLC mais utilise des commutateurs actifs côté secondaire, ce qui autorise la bidirectionnalité. Il est néanmoins limité aux plages de puissance que l’on trouve dans les chargeurs embarqués, car la mise en parallèle de cette topologie est très difficile.

Bien qu’il puisse prendre en charge une large plage de tensions de batterie avec un bon rendement, sa plage de fonctionnement est très limitée, avec une tension de bus fixe. De plus, le risque de saturation du cœur du transformateur est atténué par la présence de condensateurs du côté primaire et secondaire. Comme pour le DAB, le coût de cette mise en œuvre est relativement élevé.

Considérations lors du choix d’une topologie de recharge de véhicules électriques

Lorsque vous envisagez une topologie de rectification CA-CC, ainsi que la conversion CC-CC dans le contexte de la charge de VE, déterminez d’abord si vous allez travailler avec une alimentation CA triphasée ou monophasée et évaluez cette topologie du point de vue du temps de charge, de la fiabilité, du dégagement de chaleur et de l’encombrement. Une fois la topologie globale sélectionnée, vous pouvez ensuite vous pencher sur le coût des différentes pièces et des circuits. Au besoin, n’hésitez pas à revenir au niveau topologique ou même à des critères de conception plus généraux.

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