Technologie voor snellere, veiligere, zeer efficiënte EV-opladers

Dit artikel gaat in op halfgeleidertechnologieën die EV-laders aandrijven, waaronder hoogspanningshalfgeleiderschakelaars, stroomomvormers en complexe stroomtrappen met meerdere niveaus.

Naarmate het aantal elektrische voertuigen (EV's) toeneemt, is er een groeiende behoefte aan het creëren van meer energie-efficiënte oplaadinfrastructuursystemen die voertuigen sneller dan ooit tevoren kunnen opladen. Nieuwe EV's hebben een groter bereik en een grotere batterijcapaciteit dan hun voorgangers, waardoor de ontwikkeling van snelle DC-oplaadoplossingen nodig is om aan de vereisten voor snel opladen te voldoen. Het duurt ongeveer 30 minuten voor een laadstation van 150 of 200 kW om een ​​EV tot 80% op te laden, wat voldoende vermogen is om ongeveer 250 km af te leggen. Een snel DC-laadstation kan volgens de Combined Charging System en Charge de Move-normen een vermogen tot 400 kW leveren.

Vandaag zullen we kijken naar halfgeleidertechnologieën die zorgen voor snellere, veiligere en efficiëntere opladers:

• Hoogspanningshalfgeleiderschakelaars (geïsoleerde bipolaire poorttransistor [IGBT] en siliciumcarbide [SiC]) drijven busspanningen (800 V of 1.000 V) in het systeem op. Met verhoogde systeemspanningen komt de vereiste voor isolatietechnologieën om de algehele veiligheid en betrouwbaarheid te garanderen.
• Naarmate stroomomvormers in staat zijn sneller van frequentie te wisselen (honderden kilohertz tot enkele megahertz), vermindert het werken op deze hoge frequenties de grootte van magnetische componenten en andere passieve apparaten die in het circuit worden gebruikt, wat vervolgens de systeemkosten verlaagt en de algehele verbetering verbetert vermogensdichtheid. Er is dus behoefte aan stroom- en spanningsdetectie met hoge bandbreedte om de digitale vermogenstrappen nauwkeurig te regelen en te beschermen.
• Hogere efficiëntie vereist het gebruik van complexe vermogenstrappen met meerdere niveaus, wat op zijn beurt de noodzaak van hoogspanningsgeïsoleerde gate-drivers vereist om deze vermogenstrappen efficiënt te schakelen en de algehele schakelverliezen te verminderen, terwijl ook versterkte isolatie- en kortsluitbeveiligingsfuncties worden ingebouwd .

Laten we deze technologie-enablers eens nader bekijken.

Isolatietechnologieën

Naleving van de veiligheid is van cruciaal belang bij EV-laders omdat ze rechtstreeks communiceren met het openbare stroomnet. Isolatie is nodig om de veiligheid van de operator te waarborgen, om processors te beschermen tegen schade in hoogspanningsstroomomzettersystemen en om aardlussen en potentiaalverschillen tussen verschillende communicatiesubsystemen te voorkomen. Vermogensregelaars met een besturingsarchitectuur aan de secundaire zijde vereisen niet alleen isolatie in de vermogenstrap (via een scheidingstransformator), maar ook in het stuurcircuit van de regelaar en de bijbehorende signaalconditioneringsschakelingen.

Ruisinterferentie veroorzaakt door de schakelactie van de stroomomvormers kan de systeemprestaties negatief beïnvloeden. Wanneer er bijvoorbeeld transiënten optreden door het schakelen van de stroomomvormer, kan een hoge slew rate transiënte spanningen op het signaalpad veroorzaken en een common-mode spanningstransiënt creëren waarvoor een isolator met hoge common-mode transiënte immuniteit (CMTI) nodig is om de signaalintegriteit te behouden .

Toenemende DC-tussenkringspanningen in EV-laadstations tonen ook het belang aan van versterkte isolatie voor de veiligheid en betrouwbaarheid van de operator. Afhankelijk van de bedrijfsspanning zijn er drie basisklassen van isolatie:functioneel, basis en versterkt. Functionele isolatie, ook wel operationele isolatie genoemd, beschermt of isoleert niet tegen elektrische schokken, maar is vereist om een ​​product te laten functioneren. Basisisolatie is een enkelvoudig isolatieniveau dat basisbescherming biedt tegen schokken. Versterkte isolatie is een enkelvoudig isolatiesysteem dat bescherming biedt tegen elektrische schokken die gelijkwaardig is aan dubbele isolatie.

Voor halfgeleiders zijn verschillende isolatietechnologieën mogelijk:

• Optische isolatie maakt gebruik van LED-lichtoverdracht over een transparante niet-geleidende isolatiebarrière. De belangrijkste voordelen zijn hoge elektrische isolatiewaarden en lage kosten. Optische isolatie heeft echter ook lange voortplantingstijden, lage ruisimmuniteit, hogere ruststroom en snelle degradatie van isolatie met temperatuur en leeftijd. Deze beperkingen beperken optische isolatietechnologie tot kostengevoelige stroomomvormers met een lagere snelheid.
• Magnetische isolatie maakt gebruik van inductieve koppelingsoverdracht met behulp van een transformatorspoelontwerp en zorgt voor een hoge isolatie bij hoge frequenties. Het biedt betere voortplantingstijden in vergelijking met optische technologie, maar heeft hoge elektromagnetische ruisproblemen, lage ruisimmuniteit en isolatiedegradatie met temperatuur en vocht.
• Capacitieve isolatie gebruikt een veranderend elektrisch veld om energie door middel van capaciteit over te brengen. Het voordeel van deze technologie is het vermogen om met hoge snelheden te werken en het relatief kleine pakket. Het heeft de hoogste betrouwbaarheid met de beste isolatiestabiliteit ten opzichte van temperatuur, samen met een hoge CMTI en lage uitgestraalde emissies.

Afbeelding 1 toont capacitieve isolatie die Texas Instruments gebruikt in zijn geïsoleerde gate-drivers, versterkers en digitale isolatoren.

Figuur 1. Capacitieve isolatie

Hoge bandbreedte stroom- en spanningsdetectie

Een EV-opladertoepassing gebruikt stroom- en spanningsdetectie voor drie hoofdfuncties:bewaking, bescherming en controle. In een EV-lader gebeurt de omzetting van energie uit het net meestal in twee fasen. De arbeidsfactorcorrectietrap zet de netspanning om in een stabiele tussenkringspanning. Vervolgens zet een DC/DC-trap de DC-spanning om in een spanning die geschikt is voor het EV-batterijpakket.

Afbeelding 2 is een blokschema van een EV-laadstation, met de stroomgevoelige locaties gemarkeerd als A en de spanningsgevoelige locaties gemarkeerd als V.

Figuur 2. Blokschema van een EV-laadstation

Het toenemende gebruik van SiC- en galliumnitride (GaN)-schakelaars in de vermogensfase heeft hogere werkfrequenties mogelijk gemaakt (honderden kilohertz tot enkele megahertz), terwijl de efficiëntie en hogere vermogensdichtheid zijn verbeterd. Deze vermogenstrappen vereisen een nauwkeurige detectie van snelle schakelstromen voor een betrouwbare werking van de regellus om een ​​stabiele werking van de omvormer te garanderen. Een snelle responstijd, lineaire overtemperatuur bij werking en nauwkeurige stroom- en spanningsdetectie zijn essentieel voor alle krachtige systemen met hoogspanningstrappen.

Halfgeleidertechnologieën die helpen bij stroomdetectie kunnen grofweg worden ingedeeld in directe en indirecte detectiemethoden. De directe methoden omvatten op shuntweerstand gebaseerde detectie door gebruik te maken van een geïsoleerde versterker of een geïsoleerde sigma-deltamodulator. De spanningsval over een shuntweerstand, die typisch 50 mV of 250 mV is (om stroomweerstandsverliezen tot een minimum te beperken), vormt de ingang naar deze trap.

Voor een geïsoleerde versterker wordt een geschaalde versterking van een laagspanningssignaal naar een externe controller gestuurd om nauwkeurige metingen te doen van de stroom op hoogspanningsrails terwijl de elektrische isolatie behouden blijft.

Een geïsoleerde sigma-delta-modulator moduleert de spanningsval over de shunt rechtstreeks in een digitale bitstroom die, wanneer deze rechtstreeks wordt gekoppeld aan de sigma-delta-randapparatuur van een microcontroller, een veel hogere bandbreedte mogelijk maakt. Een hogere signaalbandbreedte zorgt voor snelle, nauwkeurige stroommetingen en een nauwkeurige weergave van het schakelsignaal voor het regelen van de vermogenstrap van de omvormer.

Op shunt gebaseerde detectie heeft de voorkeur omdat deze methode een betere DC-nauwkeurigheid ten opzichte van temperatuur kan bereiken in vergelijking met op Hall-effect gebaseerde oplossingen met eenvoudige eenmalige kalibratie. Shunt-gebaseerde oplossingen zijn veel nauwkeuriger, vooral bij lage stromen, vanwege hun beperkte gevoeligheid voor externe magnetische velden. Shunt-gebaseerde oplossingen zijn lineair over het gehele spanningsbereik, vooral bij nuldoorgang en nabij het magnetische kernverzadigingsgebied. Deze oplossing biedt ook een versterkte isolatie tot 5 kV en een kleinere vormfactor in vergelijking met Hall-effectsensoren.

Indirecte methoden omvatten het detecteren van het magnetische veld rond de stroomvoerende geleider. Hall-effectsensoren bieden bijvoorbeeld een indirecte meting van het magnetische veld dat rond een geleider wordt gegenereerd door de stroom die er doorheen gaat te detecteren. Open-loop Hall-effect sensoren zijn verkrijgbaar met een bandbreedte tot 1 MHz. Closed-loop sensoren hebben een bandbreedte van 350 kHz en leveren betere prestaties in vergelijking met open-loop Hall-effect sensoren, maar kosten ook meer.

Gezien hun superieure bandbreedte en responstijd, bieden open- en gesloten-lus Hall-effectsensoren een betere bescherming voor SiC-switches over shuntoplossingen tijdens kortsluiting, vooral wanneer geschakeld op hoge frequenties. De kortsluiting die de tijd van SiC-schakelaars weerstaat, is doorgaans 1-3 µs en moet snel worden gedetecteerd om kortsluiting te voorkomen. De spanningsval over de inline-shunt resulteert in thermische dissipatie en vermogensverliezen in vergelijking met op Hall-effect gebaseerde oplossingen, vooral wanneer de gemeten stromen toenemen.

Geïsoleerde Gate Drivers

High-speed gate-drivers zijn van cruciaal belang voor het bouwen van een voedingsmodule met een hoog rendement, een hoge vermogensdichtheid en die betrouwbaar en robuust is. De gate-drivers vormen een interface tussen de pulsbreedtemodulator op een controller en de high-power-schakelaar. Krachtige SiC-/IGBT-gebaseerde voedingsmodules vereisen gate-drivers met de mogelijkheid om piekstromen met extreem hoge snelheden te genereren en te laten dalen, waardoor de overgangstijden voor in- en uitschakelen worden geminimaliseerd en daardoor schakelverliezen worden geminimaliseerd. Poortchauffeurs moeten:

• Wees flexibel om dezelfde driver te gebruiken met brede bedrijfsspanningen en verschillende soorten stroomschakelaars.
• Wees robuust om te werken in lawaaierige omgevingen en extreme temperaturen.
• Zorg voor minimale propagatievertragingen bij het inschakelen om sneller schakelen van een veldeffecttransistor (FET) mogelijk te maken, waardoor de geleidingstijd van de lichaamsdiode wordt geminimaliseerd en dus de efficiëntie wordt verbeterd.
• Zorg voor een goede vertragingsafstemming om de aansturing van parallelle metaaloxide-halfgeleider-veldeffecttransistors (MOSFET's) te garanderen met een minimaal inschakelvertragingsverschil.

Voor hoogspanningstoepassingen bieden versterkte geïsoleerde gate-drivers een verhoogde systeembestendigheid tegen spanningspieken (CMTI), lekstromen veroorzaakt door potentiaalverschillen en andere abnormale gebeurtenissen die het systeem dreigen te beschadigen.

Afhankelijk van de plaatsing van de controller, is waarschijnlijk isolatie vereist tussen de controller en de driver. Een traditionele methode voor isolatie is het gebruik van een aparte transformator met een niet-geïsoleerde gate-driver. Een geïntegreerde gate-driver heeft een voortplantingsvertraging die vergelijkbaar is met of beter is dan een discrete transformatoroplossing, terwijl hij maar liefst 50% minder ruimte in beslag neemt. Bovendien kan een geïntegreerde gate-driver worden aangepast om een ​​CMTI van meer dan 100 V/ns te leveren, een getal dat aanzienlijk hoger is dan het aantal dat met de discrete oplossing kan worden bereikt. CMTI is een belangrijke parameter die de robuustheid van een poortbestuurder bepaalt.

Beveiligingsfuncties in gate-drivers zijn vereist voor de betrouwbare werking van de converter. Vanwege de voordelen van een verbeterde vermogensdichtheid en efficiëntie, zijn SiC en GaN een potentiële vervanging geworden voor silicium-IGBT's voor verschillende toepassingen. Een SiC MOSFET heeft strengere kortsluitbeveiligingseisen; de kortsluitvastheidstijd is 1 tot 3 µs vergeleken met een IGBT, die ongeveer 10 µs is. Een DESAT-pin die in de gate-driver is geïntegreerd, is van cruciaal belang voor een snelle respons bij het detecteren van kortsluitingen. Geïntegreerde onderspanningsuitsluiting en een actieve Miller-klem zijn ook van vitaal belang bij het voorkomen van valse inschakeling in FET's die worden gebruikt in halve-brugtoepassingen.

De behoefte aan draagbare DC-snelladers met natuurlijke convectiekoeling (die gemakkelijk kunnen worden opgepakt en achter in een EV-kofferbak kunnen worden opgeborgen) verlegt de grenzen van het ontwerpen van EV-laders met de allernieuwste vermogensdichtheid en efficiëntie. Op GaN gebaseerde schakelaars met geïntegreerde gate-drivers bieden aan-weerstand, snel schakelen en een lage uitgangscapaciteit, wat het ontwerp van EV-laders helpt met tot een derde verbetering van de vermogensdichtheid. Resonante architecturen die vaak worden gebruikt in EV-laders, profiteren ook van nulspannings- en nulstroomschakelingen die schakelverliezen verminderen en de algehele systeemefficiëntie verbeteren.

Conclusie

Hoge vermogensdichtheid, betrouwbaarheid en robuustheid worden steeds belangrijker in stroomomvormers die worden gebruikt in EV-laadstations. Met toenemende stroom- en spanningsniveaus is het belangrijk om mensen en apparatuur te beschermen tegen gevaarlijke bedrijfsomstandigheden.

Fabrikanten die zich richten op laders met een hoge vermogensdichtheid en efficiënte opladers, zullen IGBT-, SiC- en GaN-gebaseerde stroomomvormers omarmen met schakelfrequenties die gaan van honderden kilohertz tot enkele megahertz. Hoogfrequente stroom- en spanningssensoren zullen cruciaal zijn voor de ontwikkeling op deze platforms.

Slimme gate-drivertechnologie zal de nodige hoogspanningsniveaus, hoge schakelsnelheden en snelle bescherming mogelijk maken. Gezien de sprongen die de halfgeleidertechnologie de afgelopen tien jaar heeft gemaakt, kan het binnenkort mogelijk zijn om een ​​EV tijdens een korte koffiepauze tot zijn volledige bereik op te laden.

Dit artikel is mede geschreven door Harish Ramakrishnan, een systeemingenieur bij Texas Instruments.

Industrieartikelen zijn een vorm van inhoud waarmee branchepartners nuttig nieuws, berichten en technologie kunnen delen met lezers van All About Circuits op een manier waarop redactionele inhoud niet goed geschikt is. Alle brancheartikelen zijn onderworpen aan strikte redactionele richtlijnen met de bedoeling de lezers nuttig nieuws, technische expertise of verhalen te bieden. De standpunten en meningen in brancheartikelen zijn die van de partner en niet noodzakelijk die van All About Circuits of zijn schrijvers.