Explore las soluciones de carga rápida para vehículos de Murata, y no se pierda las cinco características clave que debe tener en cuenta al seleccionar un convertidor de CC-CC aislado.
El diseño de soluciones de carga rápida para vehículos (electric vehicle supply equipment, EVSE) presenta una serie de desafíos. Para este tipo de aplicación, la conversión de energía CA-CC se produce dentro del cargador y no en el cargador a bordo del vehículo, como ocurre con los equipos de menor potencia. Además, la tensión de carga de CA puede variar de 300 V hasta más de 900 V, mientras que las corrientes pueden llegar hasta 500 A.
Un cargador rápido de CC generalmente consta de un rectificador de CA-CC y de un convertidor de CC-CC aislado. Para un rendimiento y una confiabilidad óptimos, se debe prestar especial atención a las características del cargador de CC-CC aislado, específicamente, hay que garantizar una salida de tensión bipolar, suficiente aislamiento y la capacidad de aguantar tensiones altas constantes.
Estos son los factores más importantes que se deben tener en cuenta al seleccionar un convertidor de CC-CC aislado para las aplicaciones de EVSE.
1. Habilitar suficiente potencia para una conmutación rápida
Para poder satisfacer los exigentes requisitos de las aplicaciones de carga rápida y la necesidad de carga rápida, el controlador de puerta debe estar meticulosamente diseñado y contar con suficiente alimentación, lo que normalmente requiere un convertidor de CC-CC.
Fig. 1. El convertidor de CC-CC suministra el circuito de puerta para un conmutador de potencia de lado alto
El convertidor de CC-CC debe entregar suficiente potencia para cargar y descargar la capacitancia de puerta del conmutador de potencia. Esto se puede calcular como el producto entre la carga de la puerta, la frecuencia de la modulación por ancho de pulsos (PWM) y la oscilación de la tensión de puerta, con valores que dependen del conmutador de potencia que se elija.
NOTA: Para mitigar los efectos negativos de las corrientes transitorias y garantizar que las características de apagado estén bien definidas, los diseñadores generalmente aplican una tensión de apagado negativa.
2. Seleccionar el convertidor de potencia indicado
En la tabla 1 se comparan los requisitos del controlador de puerta para las versiones típicas de conmutadores de potencia de alta tensión en el mercado: IGBT o MOSFET de silicio, MOSFET de carburo de silicio (SiC) y MOSFET de nitruro de Galio (GaN).
| Tipo de dispositivo | Tensión del umbral (VGTH) |
Tensión de encendido/apagado | Carga de puerta (valor de ficha técnica) | Carga de puerta sobre oscilación completa de tensión | Frecuencia | Potencia |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1200 V IGBT | 5,7 V | +15 V / −9 V | 285 nC (0 V a 15 V) | 456 nC (−9 V a 15 V) | 20 kHz | 86 mW |
| 1200 V SiC FET | 2,6 V | +20 V / −5 V | 118 nC (−5V a 20 V) | 118 nC (−5V a 20 V) | 200 kHz | 590 mW |
| 650 V GaN | 1,3 V | +6 V / −3 V | 12,1 nC (0 V a 6 V) | 18,2 nC (−3 V a 6 V) | 1 MHz | 164 mW |
| 650 V MOSFET | 4 V | +15 V / −5V | 125 nC (0 V a 10 V) | 250 nC (−5 V a 15 V) | 100 kHz | 500 mW |
Tabla 1. Comparación de los requisitos del controlador de puerta para los conmutadores de potencia de alta tensión típicos
También hay que tomar en cuenta la tensión y la corriente, ya que los transistores de potencia presentan un margen amplio entre el umbral de tensión de conmutación (VGTH) y la tensión máxima. Una mayor oscilación de tensión exige más potencia para el controlador de puerta, de modo que se debe elegir una tensión que maximice la eficiencia y el rendimiento de EMC.
3. Crear una salida de tensión bipolar
Existen varias formas para que un convertidor de CC-CC genere una salida de tensión bipolar. La serie MGJ1 * MGJ2 de 1 W y 2 W de Murata permite tensiones de salida fijas.
Gracias a una tecnología patentada, los convertidores MGJ3 de 3 W y MGJ6 de 6 W ofrecen las tensiones requeridas para los IGBT de silicio, los MOSFET de silicio o los MOSFET de SiC desde una sola configuración de salida. Al encender o apagar con un control de encendido/apagado, estos dispositivos reducen el riesgo de disparo (shoot-through).
Murata cuenta con una gama de productos que ofrecen combinaciones de tensiones positivas y negativas, así como salidas especiales.
Figura 2. Una configuración de una sola salida puede alimentar varias tensiones de controlador de puerta positivas y negativas.
NOTA: Si se aplica una tensión alta al conmutador cuando el cargador vuelve a operar después de un período sin uso, la puerta podría forzarse hasta que se estabilicen los niveles de operación. Para evitar este problema, los convertidores de CC-CC MGJ de Murata cuentan con salidas fijas a fin de limitar la tensión sin carga a un valor seguro.
4. Minimizar los picos de tensión
Para minimizar los picos de tensión dañinos a través de las inductancias y las resistencias de conexión, es importante seleccionar un convertidor de CC-CC con poca capacitancia de acoplamiento. Los convertidores MGJ de Murata presentan una capacitancia de acoplamiento baja, típicamente entre 3 y 4 pF.
5. Aislamiento suficiente para aguantar altas tensiones
Los convertidores de CC-CC aislados para cargadores rápidos deben ser capaces de aguantar tensiones altas continuas a través de la barrera de aislamiento sin que disminuya el rendimiento. Además, no deben presentar señales de degradación debida a los efectos de descarga. En los ensayos, la gama de soluciones de la serie MGJ de Murata calificaron para una operación continua hasta con 3 kV.
Resumen
Debido a las tensiones en el lado alto y el complejo diseño del controlador de puerta requerido para la EVSE, los diseñadores deben buscar un convertidor de CC-CC que ofrezca:
• Una salida bipolar capaz de producir una señal de apagado inferior a 0 V.
• Una tensión de salida fija o un requisito de carga mínima muy baja.
• Una capacitancia de aislamiento baja.
• Un aislamiento capaz de aguantar tensiones altas continuas.
Dadas todas estas características, los convertidores de CC-CC MGJ de Murata son ideales para las soluciones de carga rápida en los vehículos eléctricos.
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