Come i MOSFET SiC da 650 V rinvigoriscono i progetti di alimentazione dei caricabatterie

12 giu 2020

Passando ai MOSFET SiC, i progettisti di sistemi di alimentazione possono aumentare significativamente la densità di potenza, ridurre le perdite di commutazione e migliorare la gestione termica negli OBC per veicoli elettrici.

I sistemi di alimentazione nei veicoli elettrici (EV), i caricabatterie di bordo e fuori bordo e altri sistemi di accumulo dell'energia richiedono una maggiore efficienza energetica per convogliare più potenza negli stessi fattori di forma. In questo caso, i dispositivi al carburo di silicio (SiC) ottimizzano i progetti dei sistemi di alimentazione in modo da consentire ai progettisti di massimizzare la densità di potenza, ridurre le dimensioni e il peso e raggiungere i nuovi standard di efficienza energetica allo stesso tempo.

Gli odierni circuiti tradizionali di correzione del fattore di potenza (PFC) non possono ottenere l'efficienza richiesta con soluzioni a base di silicio senza aggiungere altri componenti e aumentare la complessità del progetto. D'altra parte, il passaggio ai MOSFET SiC permette ai progettisti di sistemi di alimentazione di soddisfare e superare i più severi requisiti di efficienza energetica.

I MOSFET SiC 650 V con bassa resistenza in stato on comportano minori perdite di conduzione, e le proprietà del carburo di silicio stesso minimizzano le variazioni di temperatura della resistenza per mantenere alta l'efficienza a pieno carico. Sono inoltre cruciali nella gestione dei carichi leggeri e di picco dei convertitori CC/CC, il che riduce significativamente il consumo energetico complessivo.

Ciò si traduce in una minore gestione termica, che, a sua volta, permette di ottenere dissipatori di calore più piccoli e più economici, nonché parti di raffreddamento meno costose. Una migliore gestione termica permette inoltre di avere un minor numero di componenti di supporto, il che significa che ci sono meno parti a rischio di rottura.

Un confronto di BOM a livello di sistema che mostra il 15% di risparmio sui costi con i MOSFET SiC

Flusso di potenza bidirezionale in OBC per i veicoli elettrici

I veicoli elettrici fanno maggiore affidamento sui caricabatterie di bordo (OBC) che su quelli veloci. Più della metà (51%) di tutte le ricariche segnalate avviene a casa, mentre un altro 16% delle ricariche avviene quando i veicoli elettrici sono collegati al lavoro. Tuttavia, i progetti MOSFET a base di silicio per gli OBC comportano più rifiuti per chilowatt, il che significa che l'utente finale paga di più per meno.

Il design OBC per i sistemi a batteria EV è un altro caso d'uso in cui i MOSFET SiC da 650 V offrono una differenziazione competitiva, consentendo ai progettisti di aumentare l'efficienza, aggiungendo la capacità di supportare il flusso di potenza bidirezionale senza compromessi in termini di peso, dimensioni e complessità del progetto. Questo riduce significativamente le dimensioni e il peso degli OBC che convertono l'energia CA dalla rete in CC per la batteria all'interno del veicolo.

A differenza degli OBC unidirezionali, che rimangono fermi nel veicolo mentre perdono carica, gli OBC bidirezionali non solo prelevano la carica dalla griglia, ma la reintegrano anche. Questa bidirezionalità dà all'utente finale anche la possibilità di fornire energia ad altri dispositivi alimentati a corrente alternata o di fornire l'equivalente EV di un "jump start" a un altro veicolo che ha esaurito la carica.

I progetti OBC basati su MOSFET SiC da 650 V includono PFC a totem e un convertitore CC/CC in un'unica scatola per risparmiare spazio prezioso nei veicoli elettrici

I MOSFET con tensione nominale di 650 V soddisfano anche i requisiti di tensione nominale di sollecitazione richiesti dai progetti EV.

Minori costi di sistema con SiC

I MOSFET SiC da 650 V Wolfspeed sono rivolti non solo agli OBC per la ricarica dei veicoli elettrici, ma anche ai sistemi di alimentazione alla ricerca di una maggiore densità di potenza e di efficienza energetica, compresi gli alimentatori per server e telecomunicazioni, i gruppi di continuità (UPS), i sistemi di immagazzinamento dell'energia e altro ancora. Ad esempio, i MOSFET da 15 mΩ e 60 mΩ, che ancora una volta supportano OBC sia unidirezionali che bidirezionali, riducono le dimensioni sia del front end CA/CC PFC che del convertitore CC/CC collegato alla batteria. Secondo Goldman Sachs, i dispositivi SiC possono ridurre il costo di produzione dei veicoli elettrici e il costo di proprietà fino a 2.000 dollari per veicolo. I MOSFET SiC da 650 V utilizzati in un progetto di riferimento OBC bidirezionale da 6,6 kW facilitano un'efficienza di picco del 96,5% sia per la carica che per lo scarico. Il progetto di riferimento, costruito intorno ai MOSFET C3M0060065D di Wolfspeed, funziona da 90 VCA a 265 VCA e con tensioni di batteria che vanno da 250 V a 450 V.

Il diagramma a blocchi del progetto di riferimento OBC da 6,6 kW basato sui MOSFET SiC C3M0060065D

I MOSFET SiC di terza generazione di Wolfspeed, basati sulla tecnologia C3M di terza generazione dell'azienda, sono quelli che forniscono la più bassa resistenza all'usura e le più basse perdite di conduzione e di commutazione del settore. Nel caso del progetto OBC da 6,6 kW, a livello di sistema, i MOSFET SiC da 650 V possono fornire fino al 15% di costi in meno anche se i componenti SiC costano più dei loro equivalenti in silicio.

Inoltre, in questo progetto OBC da 6,6 kW, una soluzione basata su SiC offre una densità di potenza di 3,3 kW/L e un'efficienza del 97%, rispetto alla densità di potenza di 2,1 kW/L e un'efficienza del 94% fornita da una soluzione basata sul silicio. Il sistema non solo raggiunge un costo totale più basso, ma consente di ottenere anche una dimensione e un peso inferiori grazie a questa densità di potenza superiore.

Ottimizzazione di interi progetti di potenza

L'efficienza offerta dai MOSFET SiC da 650 V si ripercuote attraverso l'intero progetto del sistema di alimentazione. Una maggiore velocità di commutazione e una maggiore conversione di potenza nella parte anteriore della progettazione OBC facilitano i requisiti di progettazione per il resto del sistema di alimentazione.

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