Développement et solution de système de conversion d'énergie à haute efficacité

Système de formation de batterie efficace avec capacité de recyclage d'énergie

Avec l'augmentation des applications alimentées par batterie, en particulier les véhicules électriques (EV) et les appareils portables tels que les smartphones, les tablettes et les outils électroportatifs, la demande mondiale de batteries lithium-ion est en hausse. Le processus de formation des batteries active les chimies du lithium grâce à des cycles de charge et de décharge précisément contrôlés, transformant les chimies en un format utilisable. Par conséquent, le système de formation des batteries nécessite une haute densité de puissance pour augmenter les canaux de charge et de décharge et une conversion d'énergie efficace avec une capacité de recyclage de l'énergie, un traitement bidirectionnel de la puissance.

Le système formé par l'alimentation depuis le réseau CA jusqu'à la batterie formatée comprendra une étape de correction du facteur de puissance (PFC) comme interface du réseau CA, une étape DC-DC isolée pour l'isolation du courant et la réduction, et une étape DC-DC non isolée pour fournir des tensions de charge et de décharge précises pour un contrôle bien maîtrisé des courants de charge et de décharge. Toutes les étapes sont basées sur la technologie des convertisseurs à découpage plutôt que sur des régulateurs linéaires. L'approche du convertisseur à découpage permet au système de formation d'améliorer l'efficacité énergétique, la densité de puissance, et offre la possibilité de recycler l'énergie en utilisant le même matériel, réduisant ainsi les coûts de fabrication des batteries.

Afin de répondre aux exigences de haute densité de puissance, de haute efficacité et de recyclage d'énergie des systèmes de formation de batteries fiables, Infineon propose une variété de produits, y compris des dispositifs de puissance, des circuits intégrés de commande et des microcontrôleurs. L'étage central du système de formation de batteries peut être divisé en étage PFC, étage DC-DC isolé et étage DC-DC non isolé.

Infineon recommande d'utiliser les séries 600 V CoolMOS™ C7 et P7 comme interrupteurs actifs dans ces topologies PFC pour une conversion d'énergie efficace. La diode Schottky CoolSiC™ 650 V G6 est l'interrupteur passif recommandé, ne fournissant qu'une chute de tension directe de 1,25 V, réduisant ainsi les pertes de conduction au stade PFC.

Comme la conception des alimentations à découpage de mode commuté de serveur à haute efficacité (SMPS), la topologie de commutation à tension nulle (ZVS) est généralement appliquée à l'étage isolé DC-DC du système de formation de batterie. Deux topologies typiques sont les convertisseurs à demi-pont LLC et les convertisseurs en pont complet à déphasage ZVS. Selon la sélection du contrôleur, Infineon recommande 600 V CoolMOS™ CFD7, P7 et C7 comme MOSFETs du côté primaire LLC.

Le contrôleur du système de formation instruit les convertisseurs non isolés à charger leurs batteries respectives, et commence généralement le processus de décharge à un moment similaire avec d'autres convertisseurs non isolés du système. En fonction de la fréquence de commutation du convertisseur, le concepteur peut choisir la famille Infineon la plus appropriée. StrongIRFT™ est recommandé lorsque la fréquence de commutation est égale ou inférieure à 100 kHz, tandis qu'OptiMOS™ 5 offre moins de perte de puissance à des fréquences de commutation supérieures à 100 kHz.

Le système de stockage d'énergie résout le problème de la seconde vie des batteries de véhicules électriques

Le stockage d'énergie a toujours été une partie indispensable de la génération, transmission, distribution et consommation d'énergie. Avec la croissance continue de la production d'énergie renouvelable, le schéma énergétique subit de profonds changements. Le système de stockage d'énergie (ESS) propose une large gamme de méthodes techniques pour gérer l'offre et la demande, créer une infrastructure énergétique plus flexible et offrir des économies de coûts aux services publics et aux consommateurs. La technologie ESS basée sur les batteries peut répondre aux pannes de courant en moins d'une seconde, en exploitant l'énergie propre des centrales solaires ou éoliennes situées à proximité.

L'expertise unique d'Infineon dans la génération d'énergie, la transmission, la conversion de puissance et la gestion des batteries en fait le partenaire idéal pour faire progresser les solutions ESS en termes d'efficacité, d'innovation, de performance et de coût optimal. L'expertise unique et le portefeuille de produits d'Infineon offrent des solutions de pointe qui réduisent l'effort de conception, améliorent la performance du système, accélèrent le temps de mise sur le marché et optimisent les coûts du système.

Les trois tendances clés du ESS sont le carbure de silicium (SiC), l'approche multimodulaire des batteries de seconde vie et le développement du système de gestion des batteries (BMS). Le dernier membre de la gamme SiC de Infineon, la famille CoolSiC™ MOSFET 650 V, est le produit du processus de semi-conducteurs à tranchée le plus avancé et optimisé, qui ne fait aucun compromis pour atteindre les pertes les plus faibles dans les applications et la fiabilité maximale en fonctionnement.

À une époque où les solutions de véhicules électriques gagnent en popularité, il est prévisible que le monde devra faire face à un grand nombre de batteries de véhicules électriques usagées à l'avenir. L'un des principaux avantages de l'architecture modulaire en cascade et multiniveaux est qu'elle peut réaliser la seconde vie des batteries. Par exemple, elle convient aux batteries qui ont atteint la fin de leur cycle de vie et ne peuvent plus être utilisées dans les véhicules électriques. Afin de résoudre le problème de l'élimination des batteries dans les véhicules électriques, Infineon a développé des architectures modulaires en cascade et multiniveaux, qui tirent parti des avantages des MOSFET haute efficacité et basse tension tels que la famille OptiMOS™ d'Infineon, leader sur le marché.

Le système de gestion de la batterie met en œuvre deux fonctions principales dans les applications ESS, à savoir la protection de la batterie et la surveillance de la batterie, et la gamme de produits et le design de référence d'Infineon, qui peuvent aider à développer avec succès des applications alimentées par batterie plus efficaces, durables et fiables. Le TLE9012AQU d'Infineon est un CI de surveillance et d'équilibrage multi-canaux de batterie conçu pour les packs de batteries lithium-ion utilisés dans les applications automobiles, industrielles et grand public. Le TLE9012AQU met en œuvre quatre fonctions principales : mesure de la tension des cellules, mesure de la température, équilibrage des cellules et communication isolée avec le contrôleur principal de la batterie. De plus, le TLE9012AQU fournit les outils de diagnostic nécessaires pour assurer le bon fonctionnement de la batterie contrôlée et détecter toute défaillance.

Convertisseur bidirectionnel DC/DC pour le stockage d'énergie photovoltaïque

Au 21e siècle, l'énergie électrique est devenue une partie indispensable de notre vie et de notre travail. L'énergie primaire traditionnelle principalement utilisée par les humains est l'énergie fossile telle que le pétrole, le gaz naturel et le charbon. L'énergie fossile a été progressivement épuisée avec le développement rapide et le progrès de la société humaine et des sciences et technologies depuis plus de 100 ans.

En plus de l'impact de la crise énergétique, l'utilisation des sources d'énergie primaire traditionnelles pour générer de l'électricité émettra une grande quantité de gaz acides tels que le CO₂, le SO₂ et les NOx dans l'atmosphère, augmentant la quantité de pluie acide dans le monde entier et provoquant l'effet de serre. La combustion de l'énergie traditionnelle pour la production d'électricité provoquera également un smog sérieux, qui nuira aux plantes et au corps humain.

Énergie solaire dans les énergies vertes est une clé importante pour résoudre le problème énergétique. Il existe deux structures principales du système de stockage d'énergie photovoltaïque : MPPT + Buckboost bidirectionnel + PCS, MPPT + DC/DC + PCS. La différence entre elles est que l'arrière du Buckboost bidirectionnel est connecté à une batterie haute tension et l'arrière du DC/DC bidirectionnel est connecté à une batterie basse tension.

Un convertisseur DC/DC bidirectionnel est un fonctionnement en deux quadrants d'un convertisseur DC/DC. Sa polarité de tension d'entrée et de sortie reste inchangée, et la direction du courant d'entrée et de sortie peut être modifiée. De manière générale, un DC/DC bidirectionnel peut être divisé en types isolés et non isolés. Les convertisseurs DC/DC bidirectionnels isolés sont largement utilisés, et la topologie de circuit offre de nombreuses formes de conversion.

Actuellement, le DC/DC bidirectionnel de la partie stockage d'énergie photovoltaïque adopte principalement le CLLC de circuit de conversion et la topologie en pont complet à déphasage. La plupart des dispositifs de puissance dans le DC/DC sont des IGBT, et la fréquence de commutation est contrôlée autour de 20K. Arrow Electronics et les fabricants de puces ont développé la conception de la partie DC/DC d'un schéma pur SIC, qui peut atteindre une fréquence de commutation de 200K et une efficacité de 96%.

Arrow Electronics a introduit une conception de référence de convertisseur de puissance bidirectionnel pour le stockage d'énergie, qui inclut une topologie totem pole PFC + CLLLC. Il fonctionne à haute fréquence de commutation avec SiC MOSFET pour atteindre une haute efficacité et réduire la taille et le poids. Il peut être utilisé dans des systèmes de charge haute puissance, tels que les systèmes UPS et les systèmes d'énergie solaire. Cette conception de référence peut aider les utilisateurs à accélérer la conception du système SiC MOSFET et à raccourcir considérablement le cycle de développement du produit.

Comparé au design IGBT, le design de référence du convertisseur de puissance bidirectionnel de Arrow Electronics présente une réduction de taille de 50%, avec une haute puissance de sortie (maximum 6,6 kW) et une haute efficacité (> 93%), prend en charge la sortie bidirectionnelle à commande numérique, isolation renforcée, et firmware opérationnel prêt à l'emploi, prend en charge la conversion de puissance bidirectionnelle AC/DC, puissance de charge maximale jusqu'à 6,6 kW, et prend en charge une tension d'entrée AC de 200Vac à 265Vac 50Hz, une tension de sortie DC de 60Vdc à 90Vdc, la puissance maximale de l'onduleur jusqu'à 6,6 kW, l'entrée nominale de l'onduleur de 80Vdc, et la sortie nominale de l'onduleur de 220Vac 50Hz.

Carte de démonstration de module d'alimentation LLC haute efficacité

La carte de démonstration EPC9149, introduite par EPC, est un convertisseur LLC de 1 kW, 48 V d'entrée à 12 V de sortie qui peut être utilisé comme transformateur CC avec un rapport de conversion fixe de 4:1. Elle dispose de FET GaN EPC2218 évalué à 100 V et EPC2024 évalué à 40 V, de pilotes de porte uP1966A et LMG1020, et d'un contrôleur numérique 16 bits Microchip dsPIC33CK32MP102. La carte de démonstration EPC9149 a une efficacité maximale de 97,5 % à 400 W, une efficacité à pleine charge de 96,7 % @ 12 V, une sortie de 83,3 A, une taille de 22,9 × 58,4 mm (0,90 × 2,30 pouces), une conception à profil bas, une épaisseur totale du convertisseur de 10 mm sans dissipateur thermique, une élévation de température maximale de 70 ℃ @ 12 V lorsque le kit de dissipateur thermique est installé, une sortie de 83,3 A, une fréquence de commutation fixe de 1 MHz, un démarrage progressif pour le support de charge résistive complète, et une haute densité de puissance (sans les broches) de 1227 W/in3.

Ce convertisseur est uniquement destiné à des fins d'évaluation et n'est pas un convertisseur entièrement fonctionnel et ne peut pas être utilisé dans le produit final. L'EPC9149 dispose de configurations de pont complet côté primaire et de demi-pont à point milieu côté secondaire double basées sur les FETs eGaN EPC2218 et EPC2024. La carte EPC9149 inclut également des alimentations électriques pour la logique et les pilotes de porte, alimentées par la tension d'alimentation principale de la carte LLC. Les tensions d'entrée et de sortie de la carte EPC9149 sont mesurées par les diviseurs de résistances et renvoyées au microcontrôleur à des fins de contrôle. Le module utilise un noyau de transformateur personnalisé fabriqué à partir du matériau ML91S de Hitachi Metals. La perte de noyau est faible lors du fonctionnement à haute fréquence. Deux parties de demi-noyau sont insérées par le haut et le bas de la carte, et des entretoises appropriées sont ajoutées au milieu pour réaliser l'inductance de magnétisation requise.

La gestion thermique est très importante pour garantir un fonctionnement correct et fiable, et l'EPC9149 est utilisé pour l'évaluation en banc à température ambiante normale. L'ajout d'un dissipateur de chaleur ou d'un radiateur et d'un refroidissement par air forcé peut augmenter considérablement le courant nominal des dispositifs de puissance. Cependant, il faut veiller à ne pas dépasser la température maximale absolue de la puce de 150℃.

Le module d'alimentation EPC9149 LLC possède un contrôleur de signal numérique DSPIC33CK32MP102 de Microchip. Ce dispositif monocœur de 100 MHz est équipé d'un module périphérique dédié pour les applications d'alimentation à découpage (SMPS), telles que la logique de modulation de largeur d'impulsion (PWM) riche en fonctionnalités avec 4 canaux (8x sortie) et une résolution de 250 ps, trois convertisseurs analogique-numérique (ADC) de 3,5 Msps, trois comparateurs analogiques avec un délai de propagation de 15 ns et convertisseurs numérique-analogique (DAC) intégrés, le support pour la génération de signaux en rampe, trois amplificateurs opérationnels, et un cœur de traitement du signal numérique (DSP) avec des chemins de données étroitement couplés pour des applications de contrôle en temps réel haute performance. Les dispositifs utilisés sont la plus petite dérivé de la famille de DSC monocœur dsPIC33CK et bicœur dsPIC33CH. Les dispositifs utilisés dans cette conception sont dans un boîtier UQFN de 28 broches 4x4 mm et sont spécifiés pour des températures ambiantes de -40℃ à +125℃.

Conclusion

Le système de conversion de puissance est la base de toute conception électronique, en changeant le type de courant, les variations de tension, pour répondre aux besoins de diverses applications. Les différentes solutions présentées dans cet article, principalement axées sur la mise en place de systèmes de batteries et de systèmes photovoltaïques, sont actuellement les directions d'application les plus en vogue. Le potentiel du marché est extrêmement impressionnant, ce qui mérite votre compréhension approfondie.