Consigli di design e soluzioni per caricabatterie rapidi DC da 25 kW per veicoli elettrici

La ricarica veloce in corrente continua migliora l'efficienza della ricarica dei veicoli elettrici

La tecnologia di ricarica rapida a Corrente Continua (DC) è un metodo fondamentale per la ricarica moderna dei veicoli elettrici (EV), riducendo significativamente i tempi di ricarica e migliorando la comodità e l'efficienza per gli utenti.

Le tecnologie chiave coinvolte nella ricarica rapida DC iniziano con gli standard di ricarica. Attualmente, ci sono diversi standard di ricarica come CHAdeMO, Combined Charging System (CCS) e Tesla Supercharger, tra gli altri. Marche e modelli di veicoli elettrici (EV) possono supportare standard di ricarica diversi, quindi è essenziale garantire la compatibilità tra l'attrezzatura di ricarica e il veicolo al momento della scelta dei dispositivi di ricarica. 

Inoltre, la ricarica rapida DC generalmente offre una potenza di ricarica più elevata rispetto alla ricarica AC, consentendo un trasferimento rapido di energia nella batteria. Il livello di potenza di ricarica influisce in modo significativo sulla velocità e sull'efficienza della ricarica. Pertanto, è fondamentale scegliere la potenza di ricarica appropriata in base ai requisiti del veicolo elettrico (EV) e alle specifiche dell'attrezzatura di ricarica.

La ricarica rapida DC richiede apparecchiature dedicate, normalmente installate presso stazioni di ricarica o in luoghi specifici. Durante la ricarica, è importante prestare attenzione ai problemi di sicurezza, tra cui evitare il surriscaldamento, la sovraccarica o altri rischi per la sicurezza. In generale, sia l'apparecchiatura di ricarica sia il veicolo elettrico (EV) sono dotati di meccanismi di sicurezza. Tuttavia, gli utenti dovrebbero comunque essere vigili riguardo ad eventuali anomalie durante il processo di ricarica e agire tempestivamente per risolverle o interrompere la ricarica, se necessario. Rispetto alla ricarica lenta, la ricarica rapida DC esercita un impatto maggiore sulla batteria. Pertanto, è consigliabile controllare moderatamente la frequenza di utilizzo della ricarica rapida DC per evitare un uso eccessivo, che potrebbe influire sulla durata e sulle prestazioni della batteria.

Sebbene la tecnologia di ricarica rapida DC 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 questioni legate alla sicurezza durante l'utilizzo, 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, comprendendo MOSFET e diodi SiC. I moduli boost sono utilizzati negli stadi DC-DC degli inverter solari, impiegando MOSFET e diodi SiC con una tensione nominale di 1200V.

I moduli SiC sono moduli di potenza che utilizzano semiconduttori al carburo di silicio come interruttori, con l'obiettivo di convertire l'energia in modo efficiente e 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 a una resistenza inferiore al flusso di corrente (portando a una maggiore efficienza), consentendo ai dispositivi SiC di operare a frequenze di commutazione più elevate. I sistemi basati su SiC sono più compatti e leggeri rispetto alle soluzioni basate sul silicio, permettendo progetti più piccoli. Pertanto, i dispositivi SiC rappresentano una soluzione ideale per migliorare l'efficienza e ottimizzare la gestione termica.

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

Sfide progettuali nei caricabatterie rapidi per veicoli elettrici

Progettare un caricatore veloce per veicoli elettrici (EV) compatto, efficiente e affidabile non è un compito facile. Oltre al circuito di conversione della potenza, le tecnologie di protezione hardware sono fondamentali, richiedendo ai progettisti di analizzare diversi scenari "cosa succede se". Le soluzioni includeranno soppressori formati da reti RC passive e componenti di blocco. 

Tensioni e/o correnti eccessive sono sempre motivo di preoccupazione, rendendo necessaria una protezione per garantire che i semiconduttori di potenza non siano danneggiati. Una tecnica prevede l'aggiunta di un comparatore di tensione con soglie definite e isteresi. Se viene rilevata una sovratensione, questo comparatore bloccherà i driver di gate.

La sovracorrente può essere più difficile da gestire, sebbene il driver di gate NDC57000 di onsemi includa una protezione contro la desaturazione di sovracorrente (DESAT), affrontando così il problema con un impatto minimo sulla distinta base (BOM) e sul costo del prodotto. Tali protezioni hardware sono particolarmente critiche durante le fasi di test e debug, soprattutto nelle fasi di avvio, quando è più probabile che si verifichino commutazioni imprevedibili. 

Il NDC57000 può essere utilizzato nello stadio di Correzione del Fattore di Potenza (PFC) per proteggere i moduli integrati di potenza SiC (PIMs), spiegando la metodologia di test per valutare la soglia di corrente di intervento DESAT, che rappresenta un test funzionale necessario. I condensatori del link DC vengono utilizzati per fornire la corrente di intervento di picco richiesta e per iniettare impulsi nel gate al fine di attivare i moduli, consentendo la protezione DESAT di intervenire. A seguito dei test, i valori teorici possono essere confrontati con quelli pratici, permettendo di apportare modifiche al design di conseguenza. 

Per il principale convertitore DC-DC dual active bridge (DAB), il NDC57000 può essere utilizzato, facendo affidamento sulle 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 creare 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 con un'ampia gamma di tensione operativa per i progettisti di stadi DC-DC con intervalli di tensione di uscita compresi tra 200-1000V.

Un vantaggio significativo della tecnologia SiC è la sua capacità di operare a frequenze elevate. Tuttavia, ciò implica rapidi tassi di variazione dv/dt, che possono influenzare il layout fisico di un caricatore rapido da 25 kW. L'ottimizzazione del layout è essenziale per minimizzare l'induttanza parassita, soprattutto nelle tracce di alimentazione. Inoltre, sono necessari circuiti snubber in più punti per ridurre il sovraccarico e il ronzio che potrebbero causare danni e problemi di EMI.

Il controllo a livello di sistema è un'altra area cruciale. In un caricatore veloce da 25 kW, sono presenti diversi controllori ad anello chiuso all'interno del PFC e del DAB per controllare parametri come il bilanciamento del flusso attivo nel trasformatore e lo sfasamento tra lato primario e secondario per regolare la tensione e la corrente di uscita. Una delle sfide in questo ambito è la scelta del guadagno per ogni anello al fine di garantire la stabilità complessiva del sistema. 

A causa dell'elevata potenza degli apparecchi richiesti per il collaudo, i progettisti spesso costruiscono una configurazione a loop-back sul banco di lavoro con due stadi PFC e un DAB per consentire test sicuri in condizioni controllate. Il collaudo in loop-back è applicabile anche durante la fase di burn-in nella produzione di massa, dove l'energia viene recuperata dai dispositivi testati, permettendo di risparmiare significativamente sui costi di produzione per contribuire alla missione di riduzione delle emissioni di carbonio a livello globale.

Driver IGBT altamente efficiente e affidabile

Il NCD57000 di onsemi è un driver IGBT a canale singolo ad alta corrente con isolamento galvanico interno, progettato specificamente per garantire alta efficienza del sistema e affidabilità nelle applicazioni ad alta potenza. Le sue caratteristiche includono ingressi complementari, uscite FAULT e Ready open-drain, clamp attivo Miller, tensione negativa del gate, UVLO accurato, protezione DESAT, soft turn-off DESAT, supporto per uscite ad alta corrente alle tensioni del Miller Plateau dell'IGBT (+4/-6 A), breve ritardo di propagazione con corrispondenza precisa, alta immunità ai transitori e alle interferenze elettromagnetiche, e capacità di isolamento galvanico a 5 kV con uscite driver indipendenti alta e bassa (OUTH e OUTL) per facilitare la progettazione del sistema. 

Il NCD57000 supporta segnali a 5V e 3,3V sul lato di ingresso e un ampio intervallo di tensione di polarizzazione sul lato del driver, inclusa la capacità di gestire tensioni negative. Fornisce un isolamento galvanico di >5 kVrms (valutazione UL1577) e funzionalità con tensione operativa >1200 Viorm. Il NCD57000 è confezionato in un package SOIC-16 a corpo largo con distanza di isolamento di 8 mm tra ingresso e uscita, per soddisfare i requisiti di sicurezza dell'isolamento rinforzato.

Per accelerare lo sviluppo dei prodotti dei clienti, onsemi offre anche un kit di progettazione di riferimento per il NCD57000. Il SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK è un kit di progettazione di riferimento per un caricabatterie DC rapido per veicoli elettrici da 25 kW basato su moduli di integrazione di potenza SiC. Questa soluzione completa SiC consiste in stadi PFC e DC-DC che utilizzano multipli moduli a mezzoponte SiC da 1200V, 10 mohm NXH010P120MNF1 con RDS(ON) ultra basso e induttanza parassita minimizzata, 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 con tensioni di uscita che variano da 200V a 1000V, raggiungendo un'efficienza costante del 96% per la ricarica delle batterie dei veicoli elettrici a 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, che fornisce linee di tensione stabili per componenti a bassa tensione, controllo dell'inrush, protezione integrata contro sovratensioni e molteplici interfacce di comunicazione.

Il SEC-25KW-SIC-PIM-GEVK supporta il PFC trifase e il 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, MOSFET SiC M1 da 1200V e 10 mohm, insieme a driver di gate isolati ad alta corrente e alta efficienza, come il NCD57000.

Conclusione

La tecnologia di ricarica rapida DC rappresenta un importante progresso nel campo della ricarica dei veicoli elettrici, offrendo un metodo più comodo ed efficiente per caricare i veicoli elettrici. Con i continui avanzamenti e le applicazioni della tecnologia, la ricarica rapida DC è diventata uno dei metodi principali per la ricarica dei veicoli elettrici moderni. Questo articolo discute le tecniche di progettazione per un caricatore rapido DC da 25 kW e le soluzioni correlate introdotte da onsemi, mirate ad accelerare lo sviluppo di prodotti per la ricarica rapida DC e a ottenere un vantaggio competitivo sul mercato.