Habilitadores de tecnología para cargadores de vehículos eléctricos más rápidos, seguros y de alta eficiencia

Este artículo analiza las tecnologías de semiconductores que impulsan los cargadores de vehículos eléctricos, incluidos los interruptores de semiconductores de alto voltaje, convertidores de potencia y etapas de potencia complejas de varios niveles.

A medida que aumenta la cantidad de vehículos eléctricos (EV), existe una necesidad creciente de crear sistemas de infraestructura de carga más eficientes desde el punto de vista energético que puedan cargar los vehículos más rápido que nunca. Los nuevos vehículos eléctricos tienen rangos más altos y capacidades de batería más grandes que sus predecesores, lo que requiere el desarrollo de soluciones de carga rápida de CC para respaldar los requisitos de carga rápida. Se necesitan aproximadamente 30 minutos para que una estación de carga de 150 o 200 kW cargue un vehículo eléctrico hasta en un 80%, que es suficiente energía para viajar aproximadamente 250 km. Una estación de carga rápida de CC, de acuerdo con los estándares del Sistema de carga combinado y Charge de Move, puede entregar una potencia de hasta 400 kW.

Hoy, analizaremos las tecnologías de semiconductores que están impulsando cargadores más rápidos, seguros y eficientes:

• Los interruptores semiconductores de alto voltaje (transistor bipolar de puerta aislada [IGBT] y carburo de silicio [SiC]) aumentan los voltajes de bus (800 V o 1000 V) en el sistema. Con el aumento de los voltajes del sistema, surge el requisito de tecnologías de aislamiento para garantizar la seguridad y confiabilidad generales.
• A medida que los convertidores de potencia se vuelven capaces de cambiar frecuencias más rápidas (cientos de kilohercios a unos pocos megahercios), operar a estas altas frecuencias reduce el tamaño de los componentes magnéticos y otros dispositivos pasivos usados ​​en el circuito, lo que luego reduce el costo del sistema y mejora la Densidad de poder. Por lo tanto, existe la necesidad de sensores de voltaje y corriente de gran ancho de banda para controlar y proteger con precisión las etapas de potencia digital.
• Una mayor eficiencia requiere el uso de etapas de potencia complejas de varios niveles, lo que a su vez requiere la necesidad de controladores de puerta aislados de alto voltaje para conmutar de manera eficiente estas etapas de potencia y reducir las pérdidas generales de conmutación, al tiempo que incluye características de protección contra cortocircuitos y aislamiento reforzado .

Echemos un vistazo más profundo a estos habilitadores tecnológicos.

Tecnologías de aislamiento

El cumplimiento de la seguridad es fundamental en los cargadores de vehículos eléctricos porque interactúan directamente con la red eléctrica. El aislamiento es necesario para garantizar la seguridad del operador, proteger los procesadores de daños en los sistemas de convertidores de potencia de alto voltaje y evitar bucles de tierra y diferencias de potencial entre los diferentes subsistemas de comunicación. Los controladores de potencia con una arquitectura de control del lado secundario requieren aislamiento no solo en la etapa de potencia (a través de un transformador de aislamiento) sino también en el circuito de control del controlador y los circuitos de acondicionamiento de señal asociados.

La interferencia de ruido causada por la acción de conmutación de los convertidores de potencia puede afectar negativamente al rendimiento del sistema. Por ejemplo, cuando ocurren transitorios de la conmutación del convertidor de potencia, una alta velocidad de respuesta puede causar voltajes transitorios en la ruta de la señal y crear un voltaje transitorio de modo común que requiere un aislador con alta inmunidad transitoria de modo común (CMTI) para mantener la integridad de la señal. .

El aumento de los voltajes del enlace de CC en las estaciones de carga de vehículos eléctricos también muestra la importancia del aislamiento reforzado para la seguridad y confiabilidad del operador. Dependiendo de la tensión de funcionamiento, existen tres clases básicas de aislamiento:funcional, básico y reforzado. El aislamiento funcional, también llamado aislamiento operativo, no protege ni aísla contra descargas eléctricas, pero es necesario para que un producto funcione. El aislamiento básico es un solo nivel de aislamiento que proporciona protección básica contra golpes. El aislamiento reforzado es un sistema de aislamiento único que proporciona protección contra descargas eléctricas equivalente al aislamiento doble.

Son posibles varias tecnologías de aislamiento para semiconductores:

• El aislamiento óptico utiliza la transferencia de luz LED a través de una barrera de aislamiento transparente no conductora. Sus principales ventajas son los altos valores de aislamiento eléctrico y el bajo costo. Sin embargo, el aislamiento óptico también tiene tiempos de propagación prolongados, baja inmunidad al ruido, mayor corriente de reposo y una rápida degradación del aislamiento con la temperatura y el tiempo. Estas limitaciones restringen la tecnología de aislamiento óptico a convertidores de potencia de baja velocidad y sensibles a los costos.
• El aislamiento magnético utiliza transferencia de acoplamiento inductivo utilizando un diseño de bobina de transformador y proporciona un alto aislamiento a altas frecuencias. Proporciona mejores tiempos de propagación en comparación con la tecnología óptica, pero tiene altos problemas de ruido electromagnético, baja inmunidad al ruido y degradación del aislamiento con la temperatura y la humedad.
• El aislamiento capacitivo utiliza un campo eléctrico cambiante para transmitir energía a través de la capacitancia. La ventaja de esta tecnología es su capacidad para operar a altas velocidades y su paquete relativamente pequeño. Tiene la más alta confiabilidad con la mejor estabilidad de aislamiento frente a la temperatura, junto con un alto CMTI y bajas emisiones radiadas.

La Figura 1 muestra el aislamiento capacitivo, que Texas Instruments usa en sus controladores de puerta aislados, amplificadores y aisladores digitales.

Figura 1. Aislamiento capacitivo

Detección de voltaje y corriente de gran ancho de banda

Una aplicación de cargador de vehículos eléctricos utiliza detección de corriente y voltaje para tres funciones principales:monitoreo, protección y control. En un cargador de EV, la conversión de energía de la red generalmente ocurre en dos etapas. La etapa de corrección del factor de potencia convierte la tensión de la red en una tensión de enlace de CC estable. Luego, una etapa CC / CC convierte el voltaje CC en un voltaje adecuado para el paquete de baterías EV.

La Figura 2 es un diagrama de bloques de una estación de carga de vehículos eléctricos, con las ubicaciones de detección de corriente marcadas como A y las ubicaciones de detección de voltaje marcadas como V.

Figura 2. Diagrama de bloques de una estación de carga para vehículos eléctricos

El uso cada vez mayor de interruptores de SiC y nitruro de galio (GaN) en la etapa de potencia ha permitido aumentar las frecuencias de funcionamiento (de cientos de kilohercios a unos pocos megahercios) al tiempo que ofrece una mayor eficiencia y una mayor densidad de potencia. Estas etapas de potencia requieren una detección precisa de corrientes de conmutación rápidas para un funcionamiento confiable del lazo de control para asegurar el funcionamiento estable del convertidor. El tiempo de respuesta rápido, el exceso de temperatura de operación lineal y la detección precisa de corriente y voltaje son esenciales para todos los sistemas de alta potencia con etapas de alto voltaje.

Las tecnologías de semiconductores que ayudan con la detección de corriente pueden clasificarse en términos generales en métodos de detección directa e indirecta. Los métodos directos incluyen detección basada en resistencias en derivación empleando un amplificador aislado o un modulador sigma-delta aislado. La caída de voltaje a través de una resistencia de derivación, que normalmente es de 50 mV o 250 mV (para mantener las pérdidas de resistencia de corriente al mínimo), forma la entrada a esta etapa.

Para un amplificador aislado, se envía una amplificación escalada de una señal de bajo voltaje a un controlador externo para realizar mediciones precisas de la corriente en los rieles de alto voltaje mientras se mantiene el aislamiento eléctrico.

Un modulador sigma-delta aislado modula la caída de voltaje a través de la derivación directamente en un flujo de bits digital que cuando se conecta directamente con el periférico sigma-delta de un microcontrolador permite un ancho de banda mucho mayor. Un ancho de banda de señal más alto asegura mediciones de corriente rápidas y precisas y una representación precisa de la señal de conmutación para controlar la etapa de potencia del convertidor.

Se prefiere la detección basada en derivación porque este método puede lograr una mejor precisión de CC sobre la temperatura en comparación con las soluciones basadas en el efecto Hall con calibración básica de una sola vez. Las soluciones basadas en derivaciones son mucho más precisas, particularmente a bajas corrientes, debido a su sensibilidad limitada a los campos magnéticos externos. Las soluciones basadas en derivaciones son lineales en todo el rango de voltaje, especialmente en el cruce por cero y cerca de la región de saturación del núcleo magnético. Esta solución también ofrece un aislamiento reforzado de hasta 5 kV y un factor de forma reducido en comparación con los sensores de efecto Hall.

Los métodos indirectos implican detectar el campo magnético alrededor del conductor portador de corriente. Por ejemplo, los sensores de efecto Hall proporcionan una medición indirecta del campo magnético generado alrededor de un conductor al detectar la corriente que fluye a través de él. Los sensores de efecto Hall de bucle abierto están disponibles con un ancho de banda de hasta 1 MHz. Los sensores de circuito cerrado tienen un ancho de banda de 350 kHz y proporcionan un mejor rendimiento en comparación con los sensores de efecto Hall de circuito abierto, pero también cuestan más.

Dado su ancho de banda y tiempo de respuesta superiores, los sensores de efecto Hall de bucle abierto y cerrado brindan una mejor protección para los interruptores de SiC sobre las soluciones de derivación durante condiciones de cortocircuito, especialmente cuando se conmutan a altas frecuencias. El tiempo de resistencia al cortocircuito de los interruptores de SiC es típicamente de 1-3 µs y necesitará una detección rápida para evitar cortocircuitos. La caída de voltaje en la derivación en línea da como resultado disipación térmica y pérdidas de potencia en comparación con las soluciones basadas en el efecto Hall, especialmente cuando aumentan las corrientes medidas.

Controladores de puerta aislada

Los controladores de puerta de alta velocidad son fundamentales para construir un módulo de potencia que tenga alta eficiencia, alta densidad de potencia y sea confiable y robusto. Los controladores de la puerta interactúan entre el modulador de ancho de pulso en un controlador y el interruptor de alta potencia. Los módulos de potencia basados ​​en SiC / IGBT de alta potencia requieren controladores de compuerta con la capacidad de generar y absorber corrientes pico a velocidades extremadamente altas, minimizando los tiempos de transición de encendido y apagado y, por lo tanto, minimizando las pérdidas de conmutación. Los controladores de puerta deben:

• Sea flexible para usar el mismo controlador con voltajes operativos amplios y diferentes tipos de interruptores de potencia.
• Sea robusto para operar en entornos ruidosos y condiciones de temperatura extremas.
• Tener retardos mínimos de propagación de activación para permitir una conmutación más rápida de un transistor de efecto de campo (FET), minimizando el tiempo de conducción del diodo corporal y mejorando así la eficiencia.
• Tener una buena coincidencia de retardo para garantizar la activación de transistores de efecto de campo semiconductores de óxido metálico en paralelo (MOSFET) con una diferencia mínima de retardo de encendido.

Para aplicaciones de alto voltaje, los controladores de puerta aislados reforzados brindan una mayor resistencia del sistema contra sobretensiones (CMTI), corrientes de fuga causadas por diferencias de potencial y otros eventos anómalos que amenazan con dañar el sistema.

Dependiendo de la ubicación del controlador, es probable que se requiera aislamiento entre el controlador y el controlador. Un método tradicional de aislamiento es utilizar un transformador separado con un controlador de puerta no aislado. Un controlador de puerta integrado tiene un retardo de propagación similar o mejor que una solución de transformador discreto mientras ocupa hasta un 50% menos de área. Además, un controlador de puerta integrado se puede adaptar para entregar CMTI superior a 100 V / ns, un número significativamente más alto que el que se puede lograr con la solución discreta. CMTI es un parámetro clave que determina la solidez de un controlador de puerta.

Se requieren características de protección en los controladores de puerta para el funcionamiento confiable del convertidor. Debido a los beneficios de una mayor eficiencia y densidad de potencia, el SiC y GaN se han convertido en un posible sustituto de los IGBT de silicio para diversas aplicaciones. Un MOSFET de SiC tiene requisitos de protección contra cortocircuitos más estrictos; el tiempo de resistencia al cortocircuito es de 1 a 3 µs en comparación con un IGBT, que es de alrededor de 10 µs. Un pin DESAT integrado al controlador de la puerta es fundamental para proporcionar una respuesta rápida en la detección de cortocircuitos. El bloqueo de subtensión integrado y una pinza Miller activa también son vitales para prevenir un falso encendido en los FET utilizados en aplicaciones de medio puente.

La necesidad de cargadores rápidos de CC portátiles con refrigeración por convección natural (que se puedan recoger y almacenar fácilmente en la parte trasera de un maletero de vehículos eléctricos) está superando los límites del diseño de cargadores de vehículos eléctricos con densidad de potencia y eficiencia de última generación. Los interruptores basados ​​en GaN con controladores de puerta integrados ofrecen resistencia activa, conmutación rápida y capacitancia de salida baja, lo que ayuda al diseño de cargadores de vehículos eléctricos con una mejora de hasta un tercio en la densidad de potencia. Las arquitecturas resonantes que se utilizan comúnmente en los cargadores de vehículos eléctricos también pueden beneficiarse de la conmutación de voltaje y corriente cero que mitigan las pérdidas de conmutación y mejoran la eficiencia general del sistema.

Conclusión

La densidad de alta potencia, la fiabilidad y la robustez son cada vez más importantes en los convertidores de potencia utilizados en las estaciones de carga de vehículos eléctricos. Con el aumento de los niveles de potencia y voltaje, es importante proteger a los seres humanos y al equipo contra condiciones operativas peligrosas.

Los fabricantes que apuntan a cargadores eficientes y de alta densidad de potencia adoptarán convertidores de potencia basados ​​en IGBT, SiC y GaN con frecuencias de conmutación que se mueven de cientos de kilohercios a unos pocos megahercios. Los sensores de corriente y voltaje de alta frecuencia serán cruciales para el desarrollo en estas plataformas.

La tecnología de controlador de puerta inteligente permitirá los niveles de alto voltaje necesarios, velocidades de conmutación rápidas y la necesidad de protección rápida. Dados los avances que ha dado la tecnología de semiconductores en la última década, es posible que pronto sea posible cargar un vehículo eléctrico en su rango completo durante una pausa para el café.

Este artículo fue coautor de Harish Ramakrishnan, ingeniero de sistemas de Texas Instruments.

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