Suggerimenti di progettazione e soluzioni per caricabatterie rapidi per veicoli elettrici da 25 kW

La ricarica rapida in corrente continua migliora l'efficienza di ricarica dei veicoli elettrici

La tecnologia di ricarica rapida in corrente continua (DC) è un metodo fondamentale per la ricarica dei veicoli elettrici (EV) moderni, riducendo significativamente i tempi di ricarica e migliorando la comodità e l'efficienza per l'utente.

Le tecnologie chiave coinvolte nella ricarica rapida DC iniziano con gli standard di ricarica. Attualmente, ci sono vari standard di ricarica come CHAdeMO, Combined Charging System (CCS) e Tesla Supercharger, tra gli altri. Differenti marche e modelli di veicoli elettrici possono supportare diversi standard di ricarica, quindi è essenziale garantire la compatibilità tra l'attrezzatura di ricarica e il veicolo quando si scelgono i dispositivi di ricarica. 

Inoltre, la ricarica rapida in DC tipicamente fornisce una potenza di ricarica più elevata rispetto alla ricarica in AC, permettendo un rapido trasferimento di energia nella batteria. Il livello di potenza di ricarica influisce significativamente sulla velocità e l'efficienza di ricarica. Pertanto, è cruciale scegliere la potenza di ricarica appropriata in base alle esigenze del veicolo elettrico e alle specifiche dell'apparecchiatura di ricarica.

La ricarica rapida DC richiede attrezzature di ricarica dedicate, tipicamente installate presso stazioni di ricarica o in luoghi specifici. Durante la ricarica, è importante prestare attenzione ai problemi di sicurezza della ricarica, inclusi l'evitare surriscaldamenti, sovraccarichi o altri rischi per la sicurezza. Generalmente, sia l'attrezzatura di ricarica che il veicolo elettrico sono equipaggiati con meccanismi di sicurezza. Tuttavia, gli utenti devono essere comunque vigili per rilevare eventuali anomalie durante il processo di ricarica e agire tempestivamente per affrontare o interrompere la ricarica se necessario. Rispetto alla ricarica lenta, la ricarica rapida DC ha un impatto maggiore sulla batteria. Pertanto, è consigliabile controllare moderatamente la frequenza della ricarica rapida DC per evitare un uso eccessivo, che può influenzare la durata e le prestazioni della batteria.

Sebbene la tecnologia di ricarica rapida CC migliori efficacemente la velocità e la comodità di ricarica dei veicoli elettrici, è importante considerare gli standard di ricarica, la potenza di ricarica, le attrezzature di ricarica e le problematiche di sicurezza durante l'uso per garantire un processo di ricarica sicuro e affidabile.

I moduli SiC sono componenti chiave nella tecnologia di ricarica rapida DC

I moduli al carburo di silicio (SiC) sono componenti essenziali nella tecnologia di ricarica rapida DC, comprendenti MOSFET SiC e diodi SiC. I moduli boost sono utilizzati nelle fasi DC-DC degli inverter solari, utilizzando MOSFET SiC e diodi con valutazione a 1200V.

I moduli SiC sono moduli di potenza che utilizzano semiconduttori di carburo di silicio come switch, con l'obiettivo di convertire l'energia in modo efficiente e quindi migliorare l'efficienza del sistema. La funzione principale dei moduli SiC è la conversione di potenza. Il carburo di silicio offre vantaggi rispetto al silicio grazie alla resistenza inferiore a spostarsi dalla fonte (portando a un'efficienza migliorata), permettendo ai dispositivi SiC di operare a frequenze di commutazione più elevate. I sistemi basati su SiC sono più compatti e leggeri rispetto alle soluzioni in silicio, consentendo progetti più piccoli. Pertanto, i dispositivi SiC sono una soluzione ideale per migliorare l'efficienza e ottimizzare la gestione termica.

Per affrontare le sfide della ricarica rapida DC, onsemi innova continuamente nella tecnologia SiC e nelle soluzioni di packaging, con l'obiettivo di semplificare il processo di progettazione dei caricabatterie per veicoli elettrici. Sfruttando un portafoglio completo di soluzioni discrete di potenza e analogiche, dispositivi di protezione, sensori e prodotti di connettività, onsemi offre componenti di alta qualità e sistemi personalizzati su misura per le esigenze dei clienti. Con oltre 20 anni di esperienza sistemica accumulata, onsemi integra tutte queste tecnologie per fornire soluzioni complete per la ricarica di veicoli elettrici.

Sfide di progettazione nei caricabatterie rapidi per veicoli elettrici

Progettare un caricatore veloce per veicoli elettrici (EV) compatto, efficiente e affidabile non è un compito facile. Oltre ai circuiti di conversione di potenza effettiva, le tecnologie di protezione hardware sono cruciali, richiedendo ai progettisti di analizzare vari scenari "what-if". Le soluzioni includeranno smorzatori formati da reti passive RC e componenti di blocco. 

Tensioni e/o correnti eccessive sono sempre una preoccupazione, richiedendo protezione per garantire che i semiconduttori di potenza non vengano danneggiati. Una tecnica consiste nell'aggiungere un comparatore di tensione con soglie definite e isteresi. Se viene rilevata una sovratensione, questo comparatore bloccherà i driver di gate.

Il sovracorrente può essere più impegnativo, sebbene il gate driver NDC57000 di onsemi presenti una protezione contro la desaturazione da sovracorrente (DESAT), affrontata quindi con un impatto minimo sulla distinta base (BOM) e sui costi del prodotto. Queste protezioni hardware sono particolarmente critiche durante i test e il debugging, soprattutto nelle fasi di avvio quando è più probabile che si verifichino commutazioni imprevedibili. 

Il NDC57000 può essere utilizzato nella fase di Correzione del Fattore di Potenza (PFC) per proteggere i Moduli Integrati di Potenza (PIM) SiC, spiegando la metodologia di test per valutare la soglia di corrente di intervento DESAT, che è un test funzionale necessario. I condensatori del collegamento DC sono utilizzati per fornire la corrente di picco di intervento richiesta e iniettare impulsi nel gate per accendere i moduli, consentendo la protezione DESAT di intervenire. Come risultato dei test, i valori teorici possono essere confrontati con quelli pratici e adeguamenti di progettazione possono essere effettuati di conseguenza. 

Per il convertitore DC-DC principale a doppio ponte attivo (DAB), il NDC57000 può essere utilizzato, basandosi su cadute di tensione per monitorare i livelli di corrente. Tuttavia, questo metodo è sensibile alle caratteristiche del dispositivo e, sebbene alcune informazioni siano incluse nei datasheet, è comunque necessaria la validazione del prototipo.

Un altro approccio consiste nel simulare prima di realizzare prototipi per impostare i parametri in modo più accurato. Questo consente una simulazione non distruttiva e la comprensione degli effetti di cortocircuito primari e secondari. Il miglioramento discreto della protezione DESAT offre una soluzione per un ampio intervallo di tensione operativa per i progettisti della fase DC-DC con intervalli di tensione di uscita che vanno da 200-1000V.

Uno dei vantaggi significativi della tecnologia SiC è la sua capacità di operare ad alte frequenze. Tuttavia, questo significa tassi di variazione dv/dt rapidi, che possono influenzare la configurazione fisica di un caricabatterie rapido da 25 kW. L'ottimizzazione della configurazione è essenziale per minimizzare l'induttanza parassita, specialmente nelle tracce di alimentazione. Inoltre, sono necessari circuiti snubber in più punti per minimizzare l'overshoot e le oscillazioni che potrebbero causare danni e problemi di EMI.

Il controllo a livello di sistema è un'altra area cruciale. In un caricatore rapido da 25 kW, più controller ad anello chiuso sono equipaggiati all'interno del PFC e del DAB per controllare parametri come il bilanciamento del flusso attivo nel trasformatore e lo sfasamento tra primario e secondario per regolare la tensione e la corrente di uscita. Una sfida qui è selezionare il guadagno per ciascun anello per garantire la stabilità complessiva del sistema. 

A causa delle apparecchiature ad alta potenza necessarie per i test, i progettisti spesso costruiscono un sistema a ritorno sul banco con due stadi PFC e uno DAB per consentire test sicuri in condizioni controllate. I test a ritorno sono inoltre applicabili durante la fase di burn-in della produzione di massa, dove l'energia viene recuperata dai dispositivi testati, risparmiando costi significativi di produzione per raggiungere l'obiettivo di basse emissioni di carbonio a livello mondiale.

Driver IGBT altamente efficiente e affidabile

Il NCD57000 di onsemi è un driver IGBT a singolo canale ad alto corrente con isolamento galvanico interno, progettato specificamente per elevata efficienza e affidabilità del sistema nelle applicazioni ad alta potenza. Le sue caratteristiche includono ingressi complementari, uscite FAULT e Ready a drenaggio aperto, clamp attivo di Miller, tensione di gate negativa, UVLO preciso, protezione DESAT, spegnimento morbido DESAT, supporto per uscite di alta corrente a tensioni del Plateau di Miller dell'IGBT (+4/-6 A), breve ritardo di propagazione con abbinamento preciso, elevata immunità ai transitori ed elettromagnetica, e capacità di isolamento galvanico di 5 kV con uscite driver indipendenti alte e basse (OUTH e OUTL) per facilitare la progettazione del sistema. 

Il NCD57000 supporta segnali a 5V e 3,3V sul lato di ingresso e un'ampia gamma di tensione di polarizzazione sul lato del driver, inclusa la capacità di tensione negativa. Fornisce un isolamento galvanico >5 kVrms (classificazione UL1577) e una funzionalità di tensione di lavoro >1200 Viorm. Il NCD57000 è confezionato in un package SOIC-16 a corpo largo con distanza di spaziatura di 8 mm tra ingresso e uscita per soddisfare i requisiti di isolamento di sicurezza rinforzato.

Per accelerare lo sviluppo del prodotto del cliente, onsemi offre anche un kit di riferimento per la progettazione per l'NCD57000. Il SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK è un kit di riferimento per la progettazione di un caricatore rapido per veicoli elettrici DC da 25 kW basato su moduli di integrazione di potenza SiC. Questa soluzione completa SiC è composta da stadi PFC e DC-DC con più moduli half-bridge SiC NXH010P120MNF1 1200V, 10 mohm con RDS(ON) ultra-basso e minore induttanza parassita, riducendo significativamente le perdite di conduzione e commutazione. Sfruttando una potente Universal Controller Board (UCB) con Zynq®-7000 SoC FPGA e processore basato su ARM®, questo sistema eroga fino a 25 kW di potenza a tensioni di uscita che vanno da 200V a 1000V, raggiungendo un'efficienza del 96% in ogni momento per la ricarica delle batterie dei veicoli elettrici da 400V o 800V. 

Il SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK include anche il driver ad alta corrente NCD57000 con isolamento galvanico e la soluzione di alimentazione ausiliaria SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB, fornendo binari di tensione stabile per i componenti a bassa tensione, controllo dell'inrush, protezione integrata contro sovratensioni e interfacce di comunicazione multiple.

Il SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK supporta PFC trifase e DAB per la conversione di potenza bidirezionale di batterie da 400V/800V, conforme agli standard EN55011 Classe A e IEC 61851. Integra moduli SiC NXH010P120MNF1 con mezzo ponte, 1200V, 10 mohm SiC M1 MOSFET, insieme a driver di gate isolati ad alta corrente e alta efficienza come il NCD57000.

Conclusione

La tecnologia di ricarica rapida in CC rappresenta una svolta significativa nel campo della ricarica di veicoli elettrici, offrendo un modo più conveniente ed efficiente per caricare i veicoli elettrici. Con continui avanzamenti e applicazioni nella tecnologia, la ricarica rapida in CC è diventata uno dei metodi principali per la ricarica dei veicoli elettrici moderni. Questo articolo discute le tecniche di progettazione per un caricatore rapido in CC da 25 kW e le soluzioni correlate introdotte da onsemi, finalizzate ad accelerare lo sviluppo di prodotti di ricarica rapida in CC e a ottenere un vantaggio competitivo nel mercato.