Esplora le soluzioni di ricarica rapida per veicoli elettrici di Murata, comprese le cinque caratteristiche chiave da considerare quando si seleziona un convertitore DC-DC isolato.
Ci sono una serie di sfide coinvolte nella progettazione di soluzioni di ricarica rapida dei veicoli elettrici (EVSE). Per questo tipo di applicazione, la conversione di alimentazione AC-DC avviene all'interno del caricabatterie, piuttosto che attraverso il caricabatterie di bordo del veicolo (OBC) come avviene per le apparecchiature di livello inferiore. Allo stesso modo, la tensione di carica DC può variare da 300 V a oltre 900 V, mentre le correnti possono arrivare a 500 A.
Un caricatore veloce DC è generalmente composto da un raddrizzatore AC-DC e da un convertitore DC-DC isolato. Per una prestazione e un'affidabilità ottimali, occorre prestare attenzione alle caratteristiche del caricatore DC-DC isolato, tra cui garantire un'uscita di tensione bipolare, un isolamento sufficiente e la capacità di resistere a tensioni continuamente elevate.
Ecco i fattori più importanti da considerare quando si seleziona un convertitore DC-DC isolato per applicazioni EVSE.
1. Consentire una alimentazione significativa per la commutazione rapida
Per soddisfare i requisiti elevati delle applicazioni di ricarica rapida e la necessità di commutazione rapida, il driver del gate deve essere progettato con cura e sufficientemente alimentato, il che normalmente richiede un convertitore DC-DC.
Fig. 1. Il convertitore DC-DC fornisce il circuito di gate per un interruttore di alimentazione high-side
Il convertitore DC-DC deve fornire abbastanza alimentazione per caricare e scaricare la capacità di gate dell'interruttore di alimentazione. Questo può essere calcolato come il prodotto della carica del gate, della frequenza PWM e dell'oscillazione della tensione del gate, con valori che dipendono dal power-switch scelto.
NOTA. Per mitigare gli effetti negativi dei transitori e assicurare che la caratteristica di spegnimento sia ben definita, i progettisti dovrebbero generalmente applicare una tensione di spegnimento negativa.
2. Selezione del convertitore di alimentazione appropriato
La tabella 1 mette a confronto tra loro i requisiti di gate-drive per la versione tipica di interruttori di alimentazione ad alta tensione sul mercato: IGBT o MOSFET al silicio, MOSFET al carburo di silicio (SiC) e MOSFET al nitruro di gallio (GaN).
| Tipo di dispositivo | Tensione di soglia (VGTH) |
Tensione di accensione/spegnimento | Carica di gate (valore del datasheet) | Carica del gate sull'intera oscillazione di tensione | Frequenza | Alimentazione |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 1200 V IGBT | 5,7 V | +15 V/-9 V | 285 nC (0 V - 15 V) | 456 nC (-9 V - 15 V) | 20 kHz | 86 mW |
| 1200 V SiC FET | 2,6 V | +20 V/-5 V | 118 nC (-5 V-20 V) | 118 nC (-5 V - 20 V) | 200 kHz | 590 mW |
| 650 V GaN | 1,3 V | +6 V/-3 V | 12,1 nC (0 V - 6 V) | 18,2 nC (-3 V - 6 V) | 1 MHz | 164 mW |
| MOSFET 650 V | 4 V | +15 V/-5 V | 125 nC (0 V-10 V) | 250 nC (-5 V - 15 V) | 100 kHz | 500 mW |
Tabella 1. Confronto dei requisiti di gate-drive per i tipici interruttori di alimentazione ad alta tensione
Anche la tensione e la corrente devono essere prese in considerazione, poiché i transistor di alimentazione hanno un ampio margine tra la tensione di commutazione di soglia (VGTH) e la tensione massima. Un'oscillazione di tensione maggiore richiede una maggiore alimentazione di pilotaggio del gate, quindi la tensione deve essere scelta per massimizzare l'efficienza e le prestazioni EMC.
3. Creare un'uscita di tensione bipolare
Ci sono diversi modi in cui un convertitore DC-DC può fornire un'uscita di tensione bipolare. Le serie MGJ1 * MGJ2 da 1 W e 2 Watt di Murata supportano tensioni di uscita fisse.
Grazie a una tecnologia brevettata, i convertitori MGJ3 da 3 watt e MGJ6 da 6 watt forniscono le tensioni necessarie per gli IGBT al silicio, i MOSFET al silicio o i MOSFET SiC da una singola configurazione di uscita. Accendendosi o spegnendosi con un controllo on/off, questi dispositivi riducono il rischio di spari.
Murata offre una gamma di prodotti che offrono combinazioni di tensioni positive e negative e uscite speciali.
Figura 2. Una singola configurazione di uscita può fornire varie tensioni positive e negative di pilotaggio del gate.
NOTA: Se un'alta tensione è applicata all'interruttore quando il caricatore riprende il funzionamento dopo un periodo di disuso, il gate potrebbe essere messo sotto pressione prima che i livelli operativi si stabilizzino. Per prevenire questo problema, i convertitori DC-DC MGJ di Murata hanno uscite bloccate per limitare la tensione a vuoto a un valore sicuro.
4. Minimizzare i picchi di tensione
Per minimizzare il rischio di picchi di tensione distruttivi attraverso le resistenze e le induttanze di connessione, è importante selezionare un convertitore DC-DC con una bassa capacità di accoppiamento. I convertitori MGJ di Murata hanno una bassa capacità di accoppiamento, tipicamente 3-4 pF.
5. Isolamento sufficiente per resistere alle alte tensioni
I convertitori DC-DC isolati per i caricatori veloci EV dovrebbero essere in grado di far fronte a tensioni elevate continue attraverso la barriera di isolamento, pur mantenendo le prestazioni. Inoltre, non dovrebbero mostrare segni di degradazione dovuti agli effetti dello scarico. Nei test, la gamma di soluzioni della serie MGJ di Murata è classificata per il funzionamento continuo fino a 3 KV.
Riassunto
A causa delle alte tensioni laterali e del complesso design del gate-driver richiesto per EVSE, i progettisti dovrebbero cercare un convertitore DC-DC isolato che offra:
• Uscita bipolare in grado di produrre un segnale di spegnimento sotto 0 V
• Tensione di uscita bloccata o requisito di carico minimo molto basso
• Bassa capacità di isolamento
• Isolamento in grado di resistere all'alta tensione continua
Con tutte queste caratteristiche in mente, i convertitori DC-DC MGJ di Murata sono ideali per le soluzioni di ricarica rapida dei veicoli elettrici.