Sviluppo e soluzione di sistemi di conversione di potenza ad alta efficienza

Sistema efficiente di formazione delle batterie con capacità di riciclo energetico

A causa delle sempre più numerose applicazioni alimentate a batteria, in particolare veicoli elettrici (EV) e dispositivi portatili come smartphone, tablet e utensili elettrici, la domanda globale di batterie agli ioni di litio è in aumento. Il processo di formazione della batteria attiva le chimiche al litio attraverso cicli di carica e scarica controllati con precisione, trasformando le chimiche in un formato utilizzabile. Pertanto, il sistema di formazione delle batterie necessita di un'elevata densità di potenza per aumentare i canali di carica e scarica, oltre a una conversione di energia efficiente con capacità di riciclo energetico e processi di potenza bidirezionali.

Il sistema formato dall'alimentazione dalla rete AC alla batteria formattata includerà uno stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) come interfaccia con la rete AC, uno stadio DC-DC isolato per isolamento della corrente e riduzione della tensione, e uno stadio DC-DC non isolato per fornire tensioni di carica e scarica precise al fine di controllare accuratamente le correnti di carica e scarica. Tutti gli stadi sono basati sulla tecnologia dei convertitori a commutazione piuttosto che sui regolatori lineari. L'approccio basato sui convertitori a commutazione consente al sistema di formazione di migliorare l'efficienza energetica, la densità di potenza, e offre la possibilità di riciclare energia utilizzando lo stesso hardware, riducendo così i costi di produzione delle batterie.

Per soddisfare i requisiti di alta densità di potenza, alta efficienza e riciclo energetico dei sistemi affidabili di formazione delle batterie, Infineon offre una varietà di prodotti, tra cui dispositivi di potenza, IC driver e microcontrollori. Lo stadio centrale del sistema di formazione delle batterie può essere suddiviso in stadio PFC, stadio DC-DC isolato e stadio DC-DC non isolato.

Infineon consiglia di utilizzare le serie 600 V CoolMOS™ C7 e P7 come interruttori attivi in queste topologie PFC per una conversione di potenza efficiente. Il diodo Schottky CoolSiC™ 650 V G6 è l'interruttore passivo consigliato, con una caduta di tensione diretta di soli 1,25 V, riducendo le perdite di conduzione nella fase PFC.

Come i progetti di alimentazione in modalità switching (SMPS) ad alta efficienza per server, la topologia di commutazione a zero tensione (ZVS) viene solitamente applicata allo stadio DC-DC isolato del sistema di formazione della batteria. Due topologie tipiche sono i convertitori LLC a mezzoponte e i convertitori a ponte completo a sfasamento di fase ZVS. Secondo la selezione del controllore, Infineon raccomanda i MOSFET CoolMOS™ da 600 V CFD7, P7 e C7 come MOSFET per il lato primario LLC.

Il controller del sistema di formazione istruisce i convertitori non isolati a caricare le rispettive batterie e solitamente avvia il processo di scarica in modo simile agli altri convertitori non isolati del sistema. A seconda della frequenza di commutazione del convertitore, il progettista può scegliere la famiglia Infineon più adatta. StrongIRFT™ è consigliato quando la frequenza di commutazione è pari o inferiore a 100 kHz, mentre OptiMOS™ 5 garantisce una minore perdita di potenza a frequenze di commutazione superiori a 100 kHz.

Il sistema di accumulo di energia risolve il problema della seconda vita delle batterie dei veicoli elettrici

Lo stoccaggio di energia è sempre stato una parte indispensabile della generazione, trasmissione, distribuzione e consumo di energia. Con la continua crescita della produzione di energia rinnovabile, il panorama energetico sta subendo cambiamenti enormi. Il Sistema di Accumulo di Energia (ESS) offre una vasta gamma di metodi tecnici per gestire l'offerta e la domanda, creare un'infrastruttura energetica più flessibile e apportare risparmi sui costi per le aziende di servizi e i consumatori. La tecnologia ESS basata su batterie può rispondere ai blackout in meno di un secondo, sfruttando l'energia pulita proveniente da impianti solari o eolici situati nelle vicinanze.

L'esperienza unica di Infineon nella generazione di energia, trasmissione, conversione di potenza e gestione delle batterie la rende il partner perfetto per avanzare le soluzioni ESS in termini di efficienza, innovazione, prestazioni e costo ottimale. L'esperienza unica di Infineon e il suo portafoglio di prodotti offrono soluzioni all'avanguardia che riducono lo sforzo di progettazione, migliorano le prestazioni del sistema, accelerano il time-to-market e ottimizzano i costi del sistema.

I tre trend chiave dell'ESS sono il carburo di silicio (SiC), l'approccio multi-modulare delle batterie di seconda vita e lo sviluppo del sistema di gestione delle batterie (BMS). L'ultimo membro della gamma di prodotti SiC di Infineon, la famiglia CoolSiC™ MOSFET 650 V, è il risultato del processo semiconduttore a trincea più avanzato e ottimizzato, che non scende a compromessi nell'ottenere le perdite più basse nelle applicazioni e la massima affidabilità durante il funzionamento.

In un'era in cui le soluzioni per veicoli elettrici stanno diventando sempre più popolari, è prevedibile che il mondo dovrà affrontare un gran numero di batterie usate per veicoli elettrici in futuro. Uno dei principali vantaggi dell'architettura modulare a cascata e multilevel è che può consentire una seconda vita alle batterie. Ad esempio, è adatta per batterie che hanno raggiunto la fine del loro ciclo di vita e non possono più essere utilizzate nei veicoli elettrici. Per risolvere il problema dello smaltimento delle batterie nei veicoli elettrici, Infineon ha sviluppato architetture modulari a cascata e multilevel, sfruttando i vantaggi dei MOSFET ad alta efficienza e basso voltaggio, come la famiglia OptiMOS™ di Infineon, leader nel mercato.

Il sistema di gestione della batteria implementa due funzioni principali nelle applicazioni ESS, ovvero la protezione e il monitoraggio della batteria, e la linea di prodotti di gestione della batteria e il design di riferimento di Infineon possono aiutare a sviluppare con successo applicazioni alimentate a batteria più efficienti, durature e affidabili. L'Infineon TLE9012AQU è un circuito integrato per il monitoraggio e il bilanciamento multi-canale delle batterie, progettato per pacchi batterie agli ioni di litio utilizzati in applicazioni automobilistiche, industriali e di consumo. Il TLE9012AQU implementa quattro funzioni principali: misurazione della tensione delle celle, misurazione della temperatura, bilanciamento delle celle e comunicazione isolata con il controller principale della batteria. Inoltre, il TLE9012AQU fornisce gli strumenti diagnostici necessari per garantire il corretto funzionamento della batteria controllata e rilevare eventuali guasti.

Convertitore DC/DC bidirezionale per l'accumulo di energia fotovoltaica

Nel XXI secolo, l'energia elettrica è diventata una parte indispensabile della nostra vita e del nostro lavoro. L'energia primaria tradizionale principalmente utilizzata dagli esseri umani è rappresentata dai combustibili fossili come petrolio, gas naturale e carbone. I combustibili fossili si sono gradualmente esauriti nel rapido sviluppo e progresso della società umana e della scienza e tecnologia negli ultimi 100 anni.

Oltre all'impatto della crisi energetica, l'utilizzo di energia primaria tradizionale per generare elettricità emetterà una grande quantità di gas acidi come CO₂, SO₂ e NOx nell'atmosfera, aumentando la quantità di piogge acide nel mondo e causando l'effetto serra. La combustione dell'energia tradizionale per la generazione di energia causerà anche gravi nebbie tossiche, che danneggeranno le piante e il corpo umano.

L'energia solare nell'ambito delle energie rinnovabili è una componente fondamentale per risolvere il problema energetico. Esistono due principali strutture del sistema di accumulo dell'energia fotovoltaica: MPPT + Buckboost bidirezionale + PCS, MPPT + DC/DC + PCS. La differenza tra di esse risiede nel fatto che l'estremità del Buckboost bidirezionale è collegata a una batteria ad alta tensione, mentre l'estremità del DC/DC bidirezionale è collegata a una batteria a bassa tensione.

Un convertitore DC/DC bidirezionale è un'operazione a due quadranti di un convertitore DC/DC. La polarità della sua tensione di ingresso e di uscita rimane invariata, mentre la direzione della corrente di ingresso e di uscita può essere modificata. Generalmente, i convertitori DC/DC bidirezionali possono essere suddivisi in tipi isolati e non isolati. I convertitori DC/DC bidirezionali isolati sono ampiamente utilizzati, e la topologia del circuito presenta molte forme di conversione.

Attualmente, il DC/DC bidirezionale della parte di accumulo di energia fotovoltaica adotta prevalentemente il circuito di conversione CLLC e la topologia a ponte completo con cambiamento di fase. La maggior parte dei dispositivi di potenza nel DC/DC sono IGBT, e la frequenza di commutazione è controllata intorno a 20K. Arrow Electronics e i produttori di chip hanno sviluppato il progetto della parte DC/DC basato su uno schema puramente SIC, che può raggiungere una frequenza di commutazione di 200K e un'efficienza del 96%.

Arrow Electronics ha introdotto un design di riferimento per un convertitore di potenza bidirezionale per sistemi di accumulo di energia, che include una topologia di PFC a polo totem + CLLLC. Funziona ad alta frequenza di commutazione con MOSFET SiC per ottenere un'elevata efficienza e ridurre dimensioni e peso. Può essere utilizzato in sistemi di ricarica ad alta potenza, come UPS e sistemi di energia solare. Questo design di riferimento può aiutare gli utenti ad accelerare la progettazione del sistema MOSFET SiC e a ridurre significativamente il ciclo di sviluppo del prodotto.

Rispetto al design IGBT, il design di riferimento del convertitore di potenza bidirezionale di Arrow Electronics presenta una riduzione del 50% delle dimensioni, con alta potenza di uscita (massimo 6,6 kW) e alta efficienza (> 93%), supporta il controllo digitale bidirezionale, isolamento rinforzato, firmware già pronto all'uso, supporta la conversione di potenza bidirezionale AC/DC, la potenza massima di carica fino a 6,6 kW, supporta una tensione di ingresso AC da 200Vac a 265Vac 50Hz, una tensione di uscita DC da 60Vdc a 90Vdc, la potenza massima dell'inverter fino a 6,6 kW, l'ingresso nominale dell'inverter di 80Vdc e l'uscita nominale dell'inverter di 220Vac 50Hz.

Scheda dimostrativa del modulo di alimentazione LLC ad alta efficienza

La scheda dimostrativa EPC9149, introdotta da EPC, è un convertitore LLC da 1 kW, con ingresso a 48 V e uscita a 12 V, che può essere utilizzato come trasformatore DC con un rapporto di conversione fisso di 4:1. Presenta FET GaN EPC2218 con una tensione nominale di 100 V e EPC2024 con una tensione nominale di 40 V, driver di gate uP1966A e LMG1020, e un controllore digitale Microchip dsPIC33CK32MP102 a 16 bit. La scheda dimostrativa EPC9149 offre un'efficienza massima del 97,5% a 400 W, un’efficienza a pieno carico del 96,7% @ 12 V, una corrente di uscita di 83,3 A, dimensioni di 22,9 × 58,4 mm (0,90 × 2,30 pollici), un design a basso profilo, uno spessore totale del convertitore di 10 mm senza dissipatore di calore, un aumento massimo della temperatura di 70 ℃ @ 12 V con il kit di dissipazione del calore installato, corrente di uscita di 83,3 A, una frequenza di commutazione fissa di 1 MHz, avvio morbido con supporto completo al carico resistivo, e una densità di potenza elevata (escludendo i pin) di 1227 W/in³.

Questo convertitore è solo a scopo di valutazione e non è un convertitore completamente funzionale, quindi non può essere utilizzato nel prodotto finale. L'EPC9149 presenta configurazioni di ponte completo sul lato primario e doppio ponte a metà sul lato secondario con centro comune basate sui transistor eGaN EPC2218 ed EPC2024. La scheda EPC9149 include anche alimentatori per la gestione logica e i driver di gate, alimentati dalla tensione di ingresso principale della scheda LLC. Le tensioni di ingresso e uscita della scheda EPC9149 vengono misurate tramite divisori di resistenza e trasmesse al microcontrollore per fini di controllo. Il modulo utilizza un nucleo trasformatore personalizzato realizzato in materiale ML91S di Hitachi Metals. La perdita nel nucleo è bassa durante il funzionamento ad alta frequenza. Due metà del nucleo vengono inserite dalla parte superiore e inferiore della scheda, e distanziatori appropriati vengono aggiunti nel mezzo per realizzare l'induttanza di magnetizzazione richiesta.

La gestione termica è molto importante per garantire un funzionamento corretto e affidabile, e l'EPC9149 viene utilizzato per le valutazioni in laboratorio a temperatura ambiente normale. L'aggiunta di un dissipatore di calore o di un radiatore e il raffreddamento forzato ad aria possono aumentare significativamente la corrente nominale dei dispositivi di potenza. Tuttavia, occorre fare attenzione a non superare la temperatura massima assoluta del chip di 150℃.

Il modulo di alimentazione EPC9149 LLC dispone di un controller di segnale digitale DSC Microchip DSPIC33CK32MP102. Questo dispositivo single-core da 100 MHz è dotato di un modulo periferico dedicato per applicazioni di alimentazione a commutazione (SMPS), come un ricco set di funzioni con modulazione della larghezza di impulso (PWM) a 4 canali (8x output) e risoluzione di 250 ps, tre convertitori analogico-digitale (ADC) da 3,5 Msps, tre comparatori analogici con ritardo di propagazione di 15 ns e convertitori digitale-analogico (DAC) integrati, supporto per la generazione di segnali a rampa, tre amplificatori operazionali e un core di elaborazione del segnale digitale (DSP) con percorsi dati strettamente accoppiati per applicazioni di controllo real-time ad alte prestazioni. I dispositivi utilizzati rappresentano la variante più compatta della famiglia dsPIC33CK single-core e dsPIC33CH dual-core DSC. I dispositivi utilizzati in questo design sono in un package UQFN a 28 pin da 4x4 mm e sono specificati per temperature ambiente da -40℃ a +125℃.

Conclusione

Il sistema di conversione di potenza è alla base di ogni progetto elettronico, modificando il tipo di corrente e le variazioni di tensione per soddisfare le esigenze di varie applicazioni. Le diverse soluzioni introdotte in questo documento, che si concentrano principalmente sulla realizzazione di sistemi a batteria e sistemi fotovoltaici, rappresentano attualmente le direzioni applicative più in voga. Il potenziale di mercato è estremamente impressionante e merita un ulteriore approfondimento da parte vostra.