Consejos de diseño y soluciones para cargadores rápidos de vehículos eléctricos DC de 25 kW

La carga rápida de corriente continua mejora la eficiencia de carga de vehículos eléctricos

La tecnología de carga rápida de Corriente Directa (DC) es un método crucial para la carga de vehículos eléctricos (EV) modernos, que reduce significativamente los tiempos de carga y mejora la comodidad y eficiencia para los usuarios.

Las tecnologías clave involucradas en la carga rápida de CC comienzan con los estándares de carga. Actualmente, existen varios estándares de carga como CHAdeMO, Sistema de Carga Combinado (CCS) y Supercargador de Tesla, entre otros. Las diferentes marcas y modelos de vehículos eléctricos (EV) pueden admitir diferentes estándares de carga, por lo que es esencial garantizar la compatibilidad entre el equipo de carga y el vehículo al seleccionar los dispositivos de carga. 

Además, la carga rápida en corriente continua (DC) generalmente proporciona una mayor potencia de carga en comparación con la carga en corriente alterna (AC), permitiendo una transferencia rápida de energía a la batería. El nivel de potencia de carga impacta significativamente en la velocidad y la eficiencia de la carga. Por lo tanto, es crucial elegir la potencia de carga adecuada según los requisitos del vehículo eléctrico (EV) y las especificaciones del equipo de carga.

La carga rápida DC requiere equipo de carga dedicado, generalmente instalado en estaciones de carga o ubicaciones específicas. Durante la carga, es importante prestar atención a los problemas de seguridad relacionados con la carga, incluyendo evitar el sobrecalentamiento, la sobrecarga u otros riesgos de seguridad. En general, tanto el equipo de carga como el vehículo eléctrico están equipados con mecanismos de seguridad. Sin embargo, los usuarios deben permanecer atentos ante cualquier anormalidad durante el proceso de carga y actuar de manera inmediata para abordar el problema o detener la carga si es necesario. En comparación con la carga lenta, la carga rápida DC ejerce un mayor impacto en la batería. Por lo tanto, se recomienda moderar la frecuencia de uso de la carga rápida DC para evitar un uso excesivo, que puede afectar la vida útil y el rendimiento de la batería.

Mientras que la tecnología de carga rápida DC mejora efectivamente la velocidad y la conveniencia de la carga de vehículos eléctricos, es importante considerar los estándares de carga, la potencia de carga, el equipo de carga y los problemas de seguridad de carga durante su uso para garantizar un proceso de carga seguro y confiable.

Los módulos de SiC son componentes clave en la tecnología de carga rápida de CC

Los módulos de carburo de silicio (SiC) son componentes esenciales en la tecnología de carga rápida de corriente continua (DC), que incluyen MOSFETs de SiC y diodos de SiC. Los módulos de elevación se utilizan en las etapas DC-DC de los inversores solares, empleando MOSFETs y diodos de SiC con una clasificación de 1200V.

Los módulos SiC son módulos de potencia que utilizan semiconductores de carburo de silicio como sus interruptores, con el objetivo de convertir la energía de manera eficiente y, por lo tanto, mejorar la eficiencia del sistema. La función principal de los módulos SiC es la conversión de energía. El carburo de silicio ofrece ventajas sobre el silicio debido a una menor resistencia al movimiento lejos de la fuente (lo que lleva a una mayor eficiencia), permitiendo que los dispositivos SiC operen a frecuencias de conmutación más altas. Los sistemas basados en SiC son más compactos y livianos en comparación con las soluciones de silicio, lo que permite diseños más pequeños. Por lo tanto, los dispositivos SiC son una solución ideal para mejorar la eficiencia y optimizar la gestión térmica.

Para abordar los desafíos que enfrenta la carga rápida de corriente continua (DC), onsemi innova continuamente en tecnología de SiC y soluciones de empaquetado, con el objetivo de simplificar el proceso de diseño de cargadores para vehículos eléctricos. Aprovechando un portafolio integral de soluciones discretas de potencia y analógicas, dispositivos de protección, sensores y productos de conectividad, onsemi ofrece componentes de alta calidad y sistemas personalizados adaptados a las necesidades de los clientes. Con más de 20 años de experiencia acumulada en sistemas, onsemi integra todas estas tecnologías para proporcionar soluciones completas para la carga de vehículos eléctricos.

Desafíos de Diseño en Cargadores Rápidos para Vehículos Eléctricos

Diseñar un cargador rápido para vehículos eléctricos (EV) que sea compacto, eficiente y confiable no es una tarea sencilla. Además del circuito de conversión de potencia propiamente dicho, las tecnologías de protección del hardware son cruciales, lo que obliga a los diseñadores a analizar diversos escenarios de "qué pasaría si". Las soluciones incluirán amortiguadores formados por redes pasivas RC y componentes de bloqueo. 

Los voltajes y/o corrientes excesivos siempre representan una preocupación, lo que hace necesario implementar protección para garantizar que los semiconductores de potencia no se dañen. Una técnica implica agregar un comparador de voltaje con umbrales definidos y con histéresis. Si se detecta un sobrevoltaje, este comparador bloqueará los controladores de puerta.

La sobrecorriente puede ser más difícil de gestionar, aunque el controlador de puerta NDC57000 de onsemi cuenta con protección contra desaturación por sobrecorriente (DESAT), abordando el problema con un impacto mínimo en la Lista de Materiales (BOM) y el costo del producto. Estas protecciones de hardware son especialmente críticas durante las pruebas y depuración, particularmente en las fases de inicio cuando los cambios impredecibles son más probables. 

El NDC57000 se puede utilizar en la etapa de Corrección del Factor de Potencia (PFC) para proteger los Módulos Integrados de Potencia de SiC (PIMs), explicando la metodología de prueba para evaluar el umbral de corriente de disparo DESAT, que es una prueba funcional necesaria. Los condensadores del enlace de CC se utilizan para proporcionar la corriente de disparo pico necesaria e inyectar pulsos en la puerta para activar los módulos, permitiendo que la protección DESAT se active. Como resultado de las pruebas, los valores teóricos pueden compararse con los valores prácticos y realizar ajustes de diseño en consecuencia. 

Para el convertidor DC-DC de puente activo dual principal (DAB), el NDC57000 también puede ser utilizado, dependiendo de caídas de voltaje para monitorear los niveles de corriente. Sin embargo, este método es sensible a las características del dispositivo, y aunque se incluye algo de información en las hojas de datos, aún es necesario validar el prototipo.

Otro enfoque es simular antes de crear prototipos para establecer los parámetros con mayor precisión. Esto permite una simulación no destructiva y una comprensión de los efectos primarios y secundarios de un cortocircuito. La mejora discreta de la protección DESAT ofrece una solución con un amplio rango de voltajes operativos para los diseñadores de etapas DC-DC, con rangos de voltaje de salida que abarcan de 200 a 1000V.

Una ventaja significativa de la tecnología SiC es su capacidad para operar a altas frecuencias. Sin embargo, esto implica tasas de cambio rápidas de dv/dt, lo que puede afectar el diseño físico de un cargador rápido de 25 kW. La optimización del diseño es esencial para minimizar la inductancia parasitaria, especialmente en las trazas de suministro de energía. Además, se necesitan circuitos de amortiguación en múltiples puntos para minimizar el sobreimpulso y la resonancia que podrían causar daños y problemas de EMI.

El control a nivel de sistema es otra área crucial. En un cargador rápido de 25 kW, se equipan múltiples controladores en bucle cerrado dentro del PFC y el DAB para controlar parámetros como el balance activo de flujo en el transformador y el desfase de fase de primaria a secundaria para regular el voltaje y la corriente de salida. Un desafío aquí es seleccionar la ganancia para cada bucle para garantizar la estabilidad general del sistema. 

Debido al equipo de alta potencia requerido para las pruebas, los diseñadores a menudo construyen un arreglo de retorno en el banco con dos etapas PFC y un DAB para permitir pruebas seguras bajo condiciones controladas. Las pruebas de retorno también son aplicables durante la etapa de burn-in en la producción en masa, donde se recupera energía de los dispositivos probados, ahorrando costos significativos de fabricación para cumplir con la misión de reducir las emisiones de carbono a nivel mundial.

Conductor IGBT altamente eficiente y confiable

El NCD57000 de onsemi es un driver de IGBT de un solo canal con alta corriente y aislamiento galvánico interno, diseñado específicamente para una alta eficiencia del sistema y confiabilidad en aplicaciones de alta potencia. Sus características incluyen entradas complementarias, salidas FAULT y Ready de drenaje abierto, abrazadera activa Miller, voltaje negativo de puerta, UVLO preciso, protección DESAT, apagado suave DESAT, soporte para salidas de alta corriente en voltajes de Miller Plateau de IGBT (+4/-6 A), bajo retraso de propagación con coincidencia precisa, alta inmunidad transitoria y electromagnética, y capacidad de aislamiento galvánico de 5 kV con salidas de driver independientes alta y baja (OUTH y OUTL) para facilitar el diseño del sistema. 

El NCD57000 admite señales de 5V y 3.3V en el lado de entrada y un amplio rango de voltaje de polarización en el lado del controlador, incluyendo la capacidad de voltaje negativo. Ofrece aislamiento galvánico de >5 kVrms (calificación UL1577) y funcionalidad de >1200 Viorm (voltaje de trabajo). El NCD57000 viene empaquetado en un encapsulado SOIC-16 de cuerpo ancho con una distancia de fuga de 8 mm entre la entrada y la salida para cumplir con los requisitos de aislamiento de seguridad reforzado.

Para acelerar el desarrollo de productos para los clientes, onsemi también ofrece un kit de diseño de referencia para el NCD57000. El SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK es un kit de diseño de referencia para un cargador rápido de vehículo eléctrico de 25 kW basado en módulos de integración de potencia SiC. Esta solución completa de SiC incluye etapas PFC y DC-DC que cuentan con múltiples módulos SiC de medio puente de 1200V y 10 mohm NXH010P120MNF1, con RDS(ON) ultra bajo y inductancia parasitaria minimizada, lo que reduce significativamente las pérdidas por conducción y conmutación. Aprovechando una potente Universal Controller Board (UCB) con SoC FPGA Zynq®-7000 y procesador basado en ARM®, este sistema entrega hasta 25 kW de potencia a voltajes de salida que van desde 200V hasta 1000V, alcanzando un 96% de eficiencia constante para cargar baterías de vehículos eléctricos de 400V o 800V. 

El SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK también cuenta con el controlador de alta corriente NCD57000 con aislamiento galvánico y la solución de potencia auxiliar SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB, proporcionando rieles de voltaje estables para los componentes de bajo voltaje, control de corriente de irrupción, protección integrada contra sobrevoltaje y múltiples interfaces de comunicación.

El SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK admite PFC trifásico y DAB para la conversión de potencia bidireccional de baterías de 400V/800V, cumpliendo con los estándares EN55011 Clase A e IEC 61851. Integra módulos de SiC NXH010P120MNF1 con medio puente, MOSFETs SiC M1 de 1200V y 10 mohm, junto con controladores de compuerta aislados de alta corriente y alta eficiencia, como el NCD57000.

Conclusión

La tecnología de carga rápida DC representa un avance significativo en el campo de la carga de vehículos eléctricos (VE), ofreciendo una forma más conveniente y eficiente de cargar estos vehículos. Con avances continuos y aplicaciones tecnológicas, la carga rápida DC se ha convertido en uno de los métodos principales para cargar los vehículos eléctricos modernos. Este artículo analiza las técnicas de diseño para un cargador rápido DC de 25 kW y las soluciones relacionadas presentadas por onsemi, destinadas a acelerar el desarrollo de productos de carga rápida DC y a obtener una ventaja competitiva en el mercado.