Tendances de développement et solutions pour les chargeurs ultra-rapides de véhicules électriques (VE)

Le marché florissant des véhicules électriques (VE) a catalysé le développement de diverses industries, y compris les chargeurs de VE. Pour répondre à la demande croissante de VE et atteindre les objectifs de réduction des émissions de carbone, il est essentiel d'établir une infrastructure de charge plus robuste grâce à des conceptions de systèmes de charge de VE efficaces. Cet article présente les tendances de développement des chargeurs de VE ultra-rapides et les solutions connexes proposées par onsemi.

La vitesse de chargement est l'un des facteurs clés influençant les décisions des consommateurs d'acheter des VE. En convertissant le CA en CC dans les stations de charge, les chargeurs CC pour VE accélèrent considérablement les vitesses de chargement et sont désormais devenus grand public. Soutenu par un fort appui des gouvernements et des constructeurs automobiles, le marché des VE en pleine croissance nécessite une infrastructure de charge CC robuste.

La solution de recharge de VE grand public adopte des tensions de charge plus élevées. Comparée à la recharge AC avec des limitations de tension plus souples, la recharge rapide DC peut fonctionner jusqu'à 1500 VDC, permettant une puissance de charge plus élevée, des courants plus petits, une génération de chaleur réduite, et des pertes moindres. Cela permet également d'augmenter la tension maximale pour accueillir des batteries de VE de 400V et 800V et de booster la puissance de sortie à plus de 350 kW pour une recharge ultra-rapide. La technologie au Carbure de Silicium (SiC), avec son efficacité supérieure et sa capacité à gérer des tensions et des températures plus élevées, est le choix idéal pour atteindre ces objectifs.

La technologie SiC révolutionne les chargeurs de VE en courant continu en offrant une R_DS(ON) plus faible, améliorant l'efficacité de la conversion de puissance à plus de 97 % et réduisant les coûts opérationnels par rapport aux solutions à base de silicium. Cela se traduit par des volumes et des empreintes de convertisseurs de puissance plus petits, des exigences de refroidissement réduites et des systèmes plus silencieux (avec un impact EMI réduit). Les dispositifs discrets SiC sont principalement utilisés dans les unités de charge jusqu'à 50 kW, tandis que les dispositifs modulaires, en raison de leurs avantages en termes de coûts, sont préférés pour les unités de plus de 50 kW (et parfois à partir de 25 kW). 

Les chargeurs ultra-rapides pour véhicules électriques contournent le chargeur embarqué (OBC) et alimentent directement la batterie du véhicule avec des niveaux de puissance allant de 350 kW au mégawatt. Avec des intensités de courant entre 200 A et 500 A, ils réduisent considérablement les temps de charge. Ces systèmes utilisent divers composants de conversion de puissance, tels que les modules d'alimentation intégrés (PIMs), qui intègrent plusieurs dispositifs de puissance en un seul boîtier pour simplifier l'assemblage et optimiser la gestion thermique. De plus, les dispositifs en SiC à large bande interdite améliorent l'efficacité et permettent un fonctionnement à des températures et tensions plus élevées.

Par exemple, la solution de chargeur EV DC d'onsemi utilise des technologies de conversion de puissance et de gestion de l'énergie, y compris des composants clés tels que des MOSFETs discrets en SiC, des IGBT, des modules de puissance, et des pilotes de grille isolés, ainsi que d'autres produits connexes.

onsemi propose plusieurs cartes d'évaluation et conceptions de référence pour accélérer le développement de produits des clients. Par exemple, l'EVBUM2878G-EVB est une carte d'évaluation de module MOSFET 1200V M3S 4-PACK F2 EliteSiC. Cette carte permet des tests de commutation à double impulsion et des tests de puissance en boucle ouverte pour des modules de pont complet comme le NXH011F120M3F2PTHG et le NXH007F120M3F2PTHG.

Un autre exemple est l'EVBUM2880G-EVB, une carte d'évaluation de module MOSFET EliteSiC M3S 2-PACK F1 de 1200V. Cette carte est utilisée pour les tests de commutation à double impulsion et les tests de puissance en boucle ouverte pour les modules en demi-pont, y compris le NXH008P120M3F1PTG, le NXH010P120M3F1PTG, le NXH015P120M3F1PTG et le NXH030P120M3F1PTG.

Le EVBUM2883G-EVB est une carte d'évaluation de module EliteSiC T-NPC F2 M3S de 1200V. Cette carte est utilisée pour les tests de commutation à double impulsion et les tests de puissance en boucle ouverte pour les modules TNPC (clampage du point neutre, de type T), tels que les NXH008T120M3F2PTHG et NXH011T120M3F2PTHG. Toutes ces cartes d'évaluation peuvent être connectées à un contrôleur externe pour fournir des entrées PWM et gérer les signaux de défaut.

onsemi propose également le kit d'évaluation SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK, un kit de conception de référence de chargeur EV rapide DC de 25 kW basé sur des modules intégrés de puissance SiC. Cette solution tout-SiC comprend des étages PFC et DC-DC et utilise plusieurs modules SiC en demi-pont de 1200V, 10 mΩ. Elle prend en charge des tensions d'entrée de 400VAC (EU) / 480VAC (US), des tensions de sortie de 200VDC - 1000VDC, une puissance de sortie maximale de 25 kW, une efficacité supérieure à 96%, et intègre un PFC (Power Factor Correction) triphasé et un DAB (Dual Active Bridge) pour permettre une conversion de puissance bidirectionnelle pour des batteries de 400V/800V.

onsemi propose une gamme de solutions de chargeurs CC pour véhicules électriques couvrant divers cas d'utilisation sur le marché des chargeurs CC pour EV, répondant à différents niveaux de puissance et temps de charge pour les applications résidentielles et commerciales. Des systèmes DC Wallbox de moins de 22 kW aux systèmes de charge ultra-rapide pour EV de plus de 350 kW, les MOSFETs EliteSiC et les IGBTs Field Stop 7 d'onsemi assurent une efficacité et une densité de puissance supérieures, tandis que les pilotes de grille isolés améliorent la sécurité et la fiabilité.

Les solutions de modules de puissance d'onsemi pour les chargeurs ultra-rapides de véhicules électriques (≥ 350 kW) prennent en charge une charge à courant élevé jusqu'à 500 A et délivrent des niveaux de puissance allant de 350 kW à 1 MW. La gamme complète de PIMs EliteSiC M3S T-NPC et 4-pack F2 d'onsemi offre des avantages significatifs, y compris une performance thermique supérieure, une densité de puissance élevée, une grande efficacité et une fiabilité améliorée. Ces modules sont configurés sous forme de blocs modulaires de 50 kW qui peuvent être empilés pour atteindre des niveaux de puissance dépassant 350 kW.

Le NXH008T120M3F2PTHG est un PIM NPC de type T F2 comportant un MOSFET SiC M3S T-NPC de 8 mΩ / 1200 V. Il propose des options avec ou sans Matériau Interface Thermique (TIM) pré-appliqué, supporte une commande de grille de 15V - 18V, et utilise des substrats HPS DBC. Il offre le choix entre des broches soudables et des broches à insertion forcée, utilise la technologie M3S pour une performance de commutation optimisée, et est facile à piloter avec des tensions de grille négatives.

Le NXH007F120M3F2PTHG est un PIM full-bridge 4-pack F2 équipé d'un MOSFET SiC M3S de 7 mΩ / 1200 V. Il offre des options avec ou sans TIM pré-appliqué, prend en charge une commande de grille de 15V - 18V, utilise des substrats HPS DBC et est doté de broches press-fit. Il utilise la technologie M3S pour une performance de commutation optimisée et est facile à piloter avec des tensions de grille négatives.

Pour les modules d'alimentation pour chargeurs commerciaux de véhicules électriques (VE) et les solutions discrètes (25 - 150 kW), onsemi a développé un kit d'évaluation de chargeur DC VE de 25 kW avec capacité bidirectionnelle. Ce kit peut être empilé dans un seul cabinet pour prendre en charge les tensions standard des batteries VE de 400 V et 800 V. Il adopte un circuit de charge VE à deux niveaux commun, composé d'un étage demi-pont triphasé et d'un deuxième étage DAB. Le système se caractérise par une structure simple, une efficacité de fonctionnement élevée et une facilité de contrôle. Il utilise la modulation par décalage de phase pour atteindre le ZVS (commutation à tension zéro) sous des charges élevées tout en maximisant l'efficacité sur une large gamme de tensions de charge allant de 200 V à 1000 V.

Le PIM demi-pont en carbure de silicium (SiC) complet d'onsemi est idéal pour les conceptions de chargeurs de VE en courant continu, offrant des boîtiers faciles à monter et des spécifications avec une excellente résistance thermique et inductance parasite, permettant une efficacité de fonctionnement du système et une densité de puissance plus élevées.

Les PIMs EliteSiC de onsemi, tels que les NXH008P120M3F1PTG, NXH010P120M3F1PTG, et NXH015P120M3F1PTG, disposent d'un demi-pont à double boîtier de 1200V avec SiC M3S dans un boîtier F1. Ils offrent un excellent FOM [ = R_DS(ON) * E_OSS ], des performances de commutation optimisées grâce à la technologie M3S, et prennent en charge une commande de grille de 15V à 18V. Ils sont faciles à piloter avec des tensions de grille négatives, offrent des options avec ou sans TIM pré-appliqué, et disposent de broches à pression.

De plus, onsemi propose des MOSFETs SiC discrets EliteSiC de 1200 V avec technologie M3S, optimisés pour fonctionner à haute température. Ils disposent d'une capacité parasite améliorée pour un fonctionnement à haute fréquence, R_DS(ON) varie de 13 à 65 mΩ @ V_GS= 18 V, une charge de grille ultra-faible (Q_G(TOT) varie de 55 à 254 nC), une commutation à grande vitesse avec une faible capacité (C_OSS varie de 57 à 262 pF), et sont disponibles dans un boîtier 4 broches avec une source Kelvin.

onsemi propose également le boîtier Top Cool SMD avec une proposition de valeur BPAK, offrant une performance thermique supérieure, une densité de puissance plus élevée et une meilleure résistance thermique. La dissipation thermique par le haut réduit la température du PCB, améliore l'utilisation du PCB, réduit les coûts en éliminant les via thermiques sous les MOSFET, améliore la fiabilité du PCB et bloque la poussière sur le PCB grâce à un design de boîtier en aluminium fermé.

onsemi a également introduit ses nouveaux IGBT FS7 de 1200 V, hautement optimisés et innovants, conçus pour réduire significativement les pertes de commutation et de conduction tout en assurant des performances de commutation supérieures. Ces dispositifs présentent de faibles pertes de commutation, permettant des fréquences de commutation plus élevées. Cela réduit la taille des composants magnétiques, augmentant la densité de puissance et réduisant les coûts système. Les IGBT FS7 sont un excellent choix pour les applications nécessitant des solutions d'alimentation efficaces et rentables.

Par exemple, le FGY4L160T120SWD, un IGBT discret Field Stop VII (FS7) de 1200V, offre une température de jonction maximale TJ = 175°C, une diode Gen7 co-emballée dans un boîtier TO-247-plus-4L, un coefficient de température positif pour une opération parallèle facile, une capacité de courant élevé, une commutation fluide et optimisée, des pertes de commutation faibles, et la conformité RoHS.

Choisir le bon pilote de porte est crucial pour optimiser les performances dans les applications à haute puissance ou à haute tension. Les considérations clés incluent la capacité d'isolation, les plages de tension du pilote de porte, la capacité d'isolation et la perte de puissance, l'immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) et la capacité de pilotage du courant. En tenant compte de ces facteurs, nous pouvons choisir des pilotes de porte qui améliorent la performance, l'efficacité et la sécurité des MOSFETs SiC/Si ou des IGBT.

Voici quelques-uns des principaux pilotes de grille de onsemi. Le NCP51563 est un pilote de grille isolé à double canal supportant un courant de crête source/puit de 4,5 A / 9 A, un délai de propagation typique de 36 ns avec une correspondance de délai maximale de 5 ns, des modes d'entrée simple ou double via ANB, une isolation galvanique de 5 kV, un CMTI ≥ 200 kV/µs, et un boîtier SOIC-16WB avec une distance de fuite de 8 mm.

Le NCD57100 est un pilote de grille isolé à canal unique prenant en charge un courant de pointe source/puit de 7 A, un dispositif de verrouillage actif de Miller, une protection UVLO et DESAT, une large gamme de tensions de polarisation incluant un VEE négatif, une tension d'alimentation d'entrée de 3,3 V à 5 V, une isolation galvanique de 5 kV, un CMTI ≥ 150 kV/µs, et un boîtier SOIC-16WB avec une distance de fuite de 8 mm.

NCD57090 est un driver de porte isolé à canal unique prenant en charge un courant de pointe source/puits de 6,5 A, disponible avec sortie divisée, pince Miller active ou versions à polarisation négative, entrée logique de 3,3 V, 5 V et 15 V, isolation galvanique de 5 kV, CMTI ≥ 100 kV/µs, et emballage SOIC-8WB avec une distance de fuite de 8 mm.

Les convertisseurs sont constitués de ponts utilisant des composants à large bande interdite et sont exposés au risque de commutation spontanée dans le MOSFET côté bas. Les principaux coupables incluent la capacitance Miller, la résistance de grille et un dv/dt élevé. Une solution consiste à utiliser des pilotes de grille avec des tensions de grille négatives. Les pilotes de grille de onsemi intègrent une polarisation négative interne, comme le NCP51752, un pilote de grille isolé à canal unique avec contrôle de polarisation négative intégré. Il prend en charge un courant de source de pointe de 4,5 A et un courant de puits de pointe de 9 A, un contrôle de polarisation négative intégré (-2/-3/-4/-5 V), un délai de propagation de 36 ns avec un ajustement maximal de délai de 5 ns, une tension d'alimentation d'entrée de 3 V à 20 V, une immunité de dv/dt de 200 V/ns, une isolation de 3,75 kV_RMS pendant 1 minute (selon les exigences UL1577), et des options UVLO de 6 V et 8 V pour les MOSFETs ou 12 V et 17 V pour les SiC.

onsemi propose également divers produits de conditionnement et de contrôle des signaux, tels que la série NCS2007x d'amplificateurs opérationnels, qui offrent une sortie rail à rail, une bande passante de 3 MHz et sont disponibles en configurations simple, double et quadruple. Ces amplificateurs sont fournis dans des boîtiers compacts et prennent en charge une large gamme de tensions d'alimentation de 2,7 V à 36 V, les rendant idéaux pour diverses applications. Pour une surveillance de courant haute précision, le NCS21x est recommandé en raison de sa faible tension d'alimentation et de son faible décalage grâce à son architecture à dérive nulle, permettant la détection de courant à travers des résistances shunt avec une chute de tension maximale aussi basse que 10 mV à pleine échelle.

Pour la conception de l'alimentation auxiliaire d'un chargeur DC EV de 25 kW, le NCV890100 est un régulateur de commutation en mode abaisseur monolithique à fréquence fixe conçu pour alimenter les composants à basse tension. Il est idéal pour les systèmes nécessitant un faible bruit et un format compact. Le NCV890100 convertit une plage de tension d'entrée de 4,5 V à 18 V en tensions de sortie aussi basses que 3,3 V. Il fonctionne à une fréquence de commutation constante, au-dessus de la bande AM, éliminant ainsi le besoin de filtres coûteux et de mesures contre les EMI. Le NCP3064 est un autre régulateur DC-DC conçu pour les applications de conversion ascendante et descendante avec un minimum de composants externes. Les deux dispositifs sont équipés d'une protection intégrée contre la surchauffe (TSD).

Le développement des chargeurs ultra-rapides pour véhicules électriques progresse vers une puissance plus élevée, une efficacité accrue et une intelligence supérieure pour répondre aux demandes croissantes du marché des véhicules électriques. Avec des avancées continues dans la technologie des semi-conducteurs, la conception des modules de puissance et la gestion thermique, les chargeurs du futur atteindront des temps de charge plus courts et une meilleure gestion de l'énergie, améliorant ainsi l'expérience utilisateur et la stabilité du système. Portée par le soutien des politiques et la collaboration de l'industrie, la technologie de charge ultra-rapide accélérera son adoption, contribuant à une véritable transformation verte dans le transport électrique. Les solutions de chargeurs rapides onsemi mentionnées dans cet article seront l'un de vos meilleurs choix pour entrer dans des applications industrielles connexes.