Conseils de conception et solutions pour les chargeurs rapides DC de 25 kW pour véhicules électriques

La recharge rapide en courant continu améliore l'efficacité de la recharge des véhicules électriques

La technologie de charge rapide en courant continu (DC) est une méthode essentielle pour la charge des véhicules électriques (EV) modernes, réduisant considérablement les temps de charge et améliorant la commodité et l'efficacité pour les utilisateurs.

Les technologies clés impliquées dans la recharge rapide en courant continu commencent par les normes de recharge. Actuellement, il existe différentes normes de recharge telles que CHAdeMO, Combined Charging System (CCS) et Tesla Supercharger, entre autres. Différentes marques et modèles de véhicules électriques peuvent prendre en charge différentes normes de recharge, il est donc essentiel de garantir la compatibilité entre l'équipement de recharge et le véhicule lors du choix des dispositifs de recharge. 

De plus, la recharge rapide en courant continu offre généralement une puissance de charge supérieure par rapport à la charge en courant alternatif, permettant un transfert d'énergie rapide vers la batterie. Le niveau de puissance de charge influence de manière significative la vitesse et l'efficacité de la recharge. Par conséquent, il est crucial de choisir la puissance de charge appropriée en fonction des besoins du véhicule électrique et des spécifications de l'équipement de charge.

La recharge rapide en courant continu nécessite un équipement de charge dédié, généralement installé dans des stations de charge ou des emplacements spécifiques. Lors de la recharge, il est important de prêter attention aux questions de sécurité, notamment en évitant la surchauffe, la surcharge ou autres risques pour la sécurité. En général, l'équipement de charge ainsi que le véhicule électrique sont équipés de mécanismes de sécurité. Cependant, les utilisateurs doivent rester vigilants face à toute anomalie pendant le processus de recharge et agir rapidement pour résoudre le problème ou arrêter la recharge si nécessaire. Comparée à la recharge lente, la recharge rapide en courant continu exerce un impact plus important sur la batterie. Par conséquent, il est conseillé de modérer la fréquence de la recharge rapide en courant continu afin d'éviter une utilisation excessive, ce qui pourrait affecter la durée de vie et les performances de la batterie.

Bien que la technologie de charge rapide en courant continu améliore efficacement la vitesse et la commodité de charge des véhicules électriques, il est important de prendre en compte les normes de charge, la puissance de charge, l'équipement de charge et les problèmes de sécurité liés à la charge lors de l'utilisation afin de garantir un processus de charge sûr et fiable.

Les modules SiC sont des composants clés de la technologie de recharge rapide en courant continu

Les modules en carbure de silicium (SiC) sont des composants essentiels dans la technologie de charge rapide DC, comprenant des MOSFETs SiC et des diodes SiC. Les modules d'augmentation sont utilisés dans les étapes DC-DC des onduleurs solaires, utilisant des MOSFETs SiC et des diodes avec une tension nominale de 1200V.

Les modules SiC sont des modules de puissance qui utilisent des semi-conducteurs en carbure de silicium comme interrupteurs, visant à convertir l'énergie de manière efficace et ainsi améliorer l'efficacité du système. La fonction principale des modules SiC est la conversion d'énergie. Le carbure de silicium offre des avantages par rapport au silicium grâce à une résistance plus faible pour s'éloigner de la source (entraînant une efficacité accrue), permettant aux dispositifs SiC de fonctionner à des fréquences de commutation plus élevées. Les systèmes basés sur le SiC sont plus compacts et plus légers comparés aux solutions en silicium, permettant des conceptions plus petites. Par conséquent, les dispositifs SiC sont une solution idéale pour améliorer l'efficacité et optimiser la gestion thermique.

Pour répondre aux défis posés par la recharge rapide DC, onsemi innove continuellement dans la technologie SiC et les solutions d'emballage, visant à simplifier le processus de conception des chargeurs de véhicules électriques. Grâce à un portefeuille complet de solutions de puissance discrètes et analogiques, de dispositifs de protection, de capteurs et de produits de connectivité, onsemi propose des composants de haute qualité et des systèmes personnalisés adaptés aux besoins des clients. Fort de plus de 20 ans d'expertise accumulée en systèmes, onsemi intègre toutes ces technologies pour offrir des solutions complètes pour la recharge de véhicules électriques.

Défis de conception des bornes de recharge rapide pour véhicules électriques

Concevoir un chargeur de véhicule électrique (VE) rapide, compact, efficace et fiable n'est pas une tâche facile. En plus des circuits de conversion de puissance proprement dits, les technologies de protection matérielle sont cruciales et nécessitent que les concepteurs analysent divers scénarios « et si ». Les solutions incluront des circuits d'amortissement formés par des réseaux RC passifs et des composants de blocage. 

Les tensions et/ou courants excessifs sont toujours une préoccupation, nécessitant une protection pour éviter d'endommager les semi-conducteurs de puissance. Une technique consiste à ajouter un comparateur de tension avec des seuils définis et une hystérésis. En cas de détection de surtension, ce comparateur bloquera les pilotes de grille.

Une surintensité peut être plus difficile à gérer, bien que le pilote de porte NDC57000 d'onsemi soit doté d'une protection contre la désaturation de surintensité (DESAT), ce qui est ainsi résolu avec un impact minimal sur la nomenclature (BOM) et le coût du produit. De telles protections matérielles sont particulièrement cruciales pendant les phases de test et de débogage, en particulier lors des phases de mise en service où les commutations imprévisibles sont les plus probables. 

Le NDC57000 peut être utilisé dans l'étape de Correction du Facteur de Puissance (PFC) pour protéger les Modules d'Alimentation Intégrés SiC (PIMs), en expliquant la méthodologie de test pour évaluer le seuil de courant de déclenchement DESAT, ce qui constitue un test fonctionnel nécessaire. Les condensateurs de liaison CC sont utilisés pour fournir le courant de déclenchement de crête requis et injecter des impulsions dans la grille pour activer les modules, permettant ainsi à la protection DESAT de s'enclencher. À la suite des tests, les valeurs théoriques peuvent être comparées aux valeurs pratiques, et des ajustements de conception peuvent être effectués en conséquence. 

Pour le convertisseur DC-DC principal à double pont actif (DAB), le NDC57000 peut également être utilisé, en se basant sur les chutes de tension pour surveiller les niveaux de courant. Cependant, cette méthode est sensible aux caractéristiques des dispositifs et, bien que certaines informations soient incluses dans les fiches techniques, une validation par prototype reste nécessaire.

Une autre approche consiste à simuler avant de réaliser des prototypes afin de définir les paramètres plus précisément. Cela permet une simulation non destructive et une compréhension des effets de court-circuit primaires et secondaires. L'amélioration discrète de la protection DESAT offre une solution avec une large plage de tension de fonctionnement pour les concepteurs d'étages DC-DC ayant des plages de tension de sortie allant de 200 à 1000V.

Un avantage significatif de la technologie SiC est sa capacité à fonctionner à des hautes fréquences. Cependant, cela implique des taux de montée de dv/dt rapides, ce qui peut affecter l'agencement physique d'un chargeur rapide de 25 kW. L'optimisation de l'agencement est essentielle pour minimiser l'inductance parasite, en particulier dans les traces d'alimentation. De plus, des circuits d'amortissement sont nécessaires à plusieurs endroits pour minimiser les surtensions et les oscillations qui pourraient causer des dommages et des problèmes de CEM.

Le contrôle au niveau du système est un autre domaine crucial. Dans un chargeur rapide de 25 kW, plusieurs contrôleurs en boucle fermée sont intégrés dans le PFC et le DAB pour contrôler des paramètres tels que l'équilibrage du flux actif dans le transformateur et le décalage de phase primaire-secondaire pour réguler la tension et le courant de sortie. L'un des défis ici est de sélectionner le gain pour chaque boucle afin d'assurer la stabilité globale du système. 

En raison des équipements à haute puissance nécessaires pour les tests, les concepteurs construisent souvent une configuration en boucle sur le banc avec deux étages PFC et un DAB pour permettre des tests en toute sécurité dans des conditions contrôlées. Les tests en boucle sont également applicables lors de l'étape de rodage en production de masse, où l'énergie est récupérée à partir des dispositifs testés, permettant ainsi de réaliser des économies importantes sur les coûts de fabrication pour atteindre l'objectif de faibles émissions de carbone à l'échelle mondiale.

Pilote IGBT hautement efficace et fiable

Le NCD57000 de onsemi est un pilote IGBT monocanal à haute intensité avec isolation galvanique interne, conçu spécifiquement pour une efficacité et une fiabilité élevées dans les applications de forte puissance. Ses caractéristiques incluent des entrées complémentaires, des sorties FAULT et Ready à drain ouvert, un clamp actif Miller, une tension de grille négative, une UVLO précise, une protection DESAT, une mise hors tension douce DESAT, un support pour des sorties de courant élevé aux tensions du plateau Miller de l'IGBT (+4/-6 A), un délai de propagation court avec un appariement précis, une haute immunité transitoire et électromagnétique, et une capacité d'isolation galvanique de 5 kV avec des sorties de pilote haute et basse indépendantes (OUTH et OUTL) pour faciliter la conception du système. 

Le NCD57000 prend en charge des signaux de 5V et 3,3V sur le côté entrée et une large plage de tension de polarisation sur le côté driver, y compris la capacité de tension négative. Il offre une isolation galvanique de >5 kVrms (classification UL1577) et une fonctionnalité de tension de service de >1200 Viorm. Le NCD57000 est logé dans un boîtier SOIC-16 à large corps avec une distance de fluage de 8 mm entre l'entrée et la sortie pour répondre aux exigences d'isolation de sécurité renforcée.

Pour accélérer le développement des produits clients, onsemi propose également un kit de référence pour le NCD57000. Le SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK est un kit de conception de référence pour un chargeur rapide de véhicule électrique DC de 25 kW basé sur des modules d'intégration de puissance SiC. Cette solution complète SiC comprend des étages PFC et DC-DC intégrant plusieurs modules SiC demi-pont NXH010P120MNF1 de 1200V, 10 mohm avec une RDS(ON) ultra-faible et une inductance parasite minimisée, réduisant significativement les pertes par conduction et commutation. S'appuyant sur une puissante Universal Controller Board (UCB) avec Zynq®-7000 SoC FPGA et processeur basé sur ARM®, ce système fournit jusqu'à 25 kW de puissance avec des tensions de sortie allant de 200V à 1000V, atteignant une efficacité de 96% en permanence pour le chargement des batteries de véhicules électriques de 400V ou 800V. 

Le SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK intègre également le driver haute intensité NCD57000 avec isolation galvanique et la solution d'alimentation auxiliaire SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB, offrant des rails de tension stables pour les composants basses tensions, un contrôle d’appel de courant, une protection intégrée contre les surtensions et plusieurs interfaces de communication.

Le SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK prend en charge le PFC triphasé et le DAB pour la conversion bidirectionnelle de puissance des batteries 400V/800V, conforme aux normes EN55011 Classe A et IEC 61851. Il intègre des modules SiC NXH010P120MNF1 avec demi-pont, 1200V, 10 mohm SiC M1 MOSFETs, ainsi que des drivers de grille isolés haute puissance et haute efficacité tels que le NCD57000.

Conclusion

La technologie de charge rapide en courant continu représente une avancée significative dans le domaine de la recharge des véhicules électriques, offrant un moyen plus pratique et efficace de recharger les véhicules électriques. Avec les progrès continus et les applications technologiques, la charge rapide en courant continu est devenue l'une des méthodes principales pour recharger les véhicules électriques modernes. Cet article traite des techniques de conception pour un chargeur rapide en courant continu de 25 kW et des solutions associées présentées par onsemi, visant à accélérer le développement des produits de charge rapide en courant continu et à gagner un avantage compétitif sur le marché.