Cargadores rápidos para vehículos eléctricos
Introducción
Los vehículos eléctricos (VE) necesitan corriente continua (CC) para cargar las baterías de iones de litio que contienen. Las velocidades de carga más rápidas permiten a los propietarios de vehículos pasar menos tiempo en una estación de carga y más tiempo para llegar a su destino final, ya sea el trabajo, el hogar o un largo viaje de vacaciones. Los diseñadores de energía han desarrollado algunos diseños realmente buenos para lograr las velocidades de carga más rápidas dentro de las normas de seguridad.
Para diseñar un buen sistema de recarga rápida de vehículos eléctricos, primero tenemos que minimizar el esfuerzo de refrigeración, ofrecer una alta densidad de potencia y reducir el tamaño y el peso totales del sistema, especialmente en los sistemas de recarga a bordo. Una alta densidad de potencia también requerirá una refrigeración por aire forzado. El uso de dispositivos WBG reducirá definitivamente los tiempos de carga con el uso de dispositivos de Nitruro de Galio (GaN) o Carburo de Silicio (SiC), que son los mejores para lograr una alta densidad de potencia en la arquitectura de diseño.
Ventajas del GBM
Los dispositivos de potencia WBG, como los SiC, son capaces de bloquear tensiones de enlace de CC muy elevadas con menores pérdidas que los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) de silicio (Si). El convertidor de potencia puede funcionar a una tensión más alta, reduciendo así la cantidad de corriente para la transferencia de potencia requerida. La reducción de corriente conlleva directamente un menor uso de cobre, lo que a su vez aumenta la densidad de potencia. Figura 1. Convertidor de potencia
Figura 1. Inversores centrales Inversores centrales (o de cadena), microinversores y optimizadores de potencia. (Cortesía de solartribune.com)
Ventajas del GBM
En primer lugar, veamos el diseño de una arquitectura convencional de carga rápida a bordo, con un diseño de dos etapas, que contiene una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) en el front-end seguida de un convertidor CC/CC aislado. Figura 2.
Figura 2: Un cargador convencional a bordo de un VE (Imagen de la referencia 1))
El uso de dispositivos de banda prohibida ancha (WBG), como los de SiC y GaN, permite a los cargadores de vehículos eléctricos funcionar con menos pérdidas y mayor eficiencia que los de Si, lo que a su vez reduce la generación de calor y, por tanto, la gestión térmica; los dispositivos WBG también tienen una tensión de ruptura más alta (véase la Figura 1). Los MOSFET de SiC discretos se comercializan a 650V-700V, 900V, 1000V, 1200V, 1700V, mientras que los transistores de GaN funcionan hasta 650V. Dado que los materiales WBG soportan temperaturas de funcionamiento más elevadas y tienen menores corrientes de fuga y resistencia térmica, estos dispositivos pueden manejar más potencia en un espacio determinado que los de Si.
Los voltajes actuales de las baterías de los vehículos eléctricos suelen oscilar entre los 200 y los 800 V, por lo que el GaN puede soportar menos de 500 V para un diseño seguro teniendo en cuenta los transitorios de conmutación, mientras que el SiC puede soportar sin problemas los voltajes más altos.
Además del menor calor generado por la reducción de las pérdidas de conmutación, los dispositivos de SiC tienen una conductividad térmica superior a la del Si (4,9 W/cm-K para el SiC, frente a 1,5 W/cm-K para el Si). Por lo tanto, el calor se transfiere más fácilmente fuera del dispositivo de SiC, y así el aumento de temperatura del dispositivo es más lento; el GaN tiene una conductividad térmica menor que el Si; sin embargo, el rendimiento superior en pérdidas de conmutación del GaN supera con creces al del Si en esta aplicación de carga rápida, como veremos en los párrafos siguientes.
La capacidad de conmutación rápida se traduce en menores pérdidas de conmutación. Las menores pérdidas de conmutación reducen el calor generado durante el proceso de conmutación y aumentan la eficiencia. Menos calor generado puede llevar a soluciones de gestión térmica más pequeñas y menos costosas. El funcionamiento a frecuencias más altas también puede permitir el uso de componentes pasivos de almacenamiento de energía más pequeños y menos costosos, como inductores y condensadores. El GaN es muy superior al SiC o al Si en cuanto a pérdidas por conmutación.
Sin embargo, las pérdidas por conmutación no lo dicen todo. Las pérdidas totales incluyen las de conmutación y las de conducción. Las pérdidas por conmutación son las que se generan cuando el dispositivo "pasa" del estado apagado al encendido o del encendido al apagado. Las pérdidas por conducción se producen cuando el dispositivo está totalmente encendido; el principal factor que contribuye a las pérdidas por conducción es Rds(on) o (resistencia del drenaje a la fuente en el estado "on"). En general, los dispositivos de SiC tienen una Rds(on) más baja y estable con la temperatura que los dispositivos de GaN. Esto puede dar lugar a menores pérdidas de conducción para el SiC en comparación con el GaN.
Evaluación de las pérdidas totales
La Figura de Mérito (FOM) se utiliza como comparación general de las pérdidas tanto de conmutación como de conducción y se calcula mediante (carga de puerta * resistencia de encendido) o (Qg * Rds(on)). La carga de puerta (Qg) es un indicador de las pérdidas por conmutación, mientras que Rds(on) representa las pérdidas por conducción. Comparando el producto de ambos parámetros se obtiene una indicación de la capacidad de rendimiento global.
Los dispositivos de GaN tienen una FOM 13 veces mejor que los mejores MOSFET de superunión de Si, debido principalmente a la bajísima carga de puerta.
Características principales de WBG frente a Si
Tanto el SiC como el GaN funcionan a frecuencias más altas que los MOSFET o IGBT de silicio. Los dispositivos WBG tendrán también muchas menos pérdidas de potencia de conmutación que los de Si. La mayor velocidad de conmutación de los WBG también reduce el tamaño y el peso de los componentes magnéticos, lo que permite diseños más ligeros y de menor potencia, con una mayor eficiencia energética.
Los dispositivos de SiC soportan temperaturas más altas que los de GaN, lo que reduce las necesidades de refrigeración, pero el GaN tiene una tensión de puerta de umbral más baja que el SiC para alcanzar la corriente de salida necesaria. El GaN también tiene una mayor tasa de cambio de voltaje con respecto al tiempo (dv/dt) y, por tanto, una conmutación más rápida en los periodos de encendido y apagado que el SiC, lo que permite mayores velocidades.
Cargadores embarcados rápidos (OBC) con GaN
El GaN tiene una alta densidad de potencia y una capacidad de conmutación muy rápida, lo que lo convierte en el dispositivo de potencia preferido frente al Si y el SiC para los cargadores rápidos de a bordo de menos de 600 V. La reducción de las pérdidas de conmutación y el aumento de la eficiencia permiten al GaN disipar menos calor, por lo que requiere disipadores más pequeños y menos costosos.
Estas características dan lugar a un cargador de a bordo más pequeño y ligero, lo que resulta ventajoso para mantener un menor peso y tamaño del automóvil. El GaN puede soportar el parámetro de fiabilidad MTTF de un millón de horas a una temperatura de unión de 200 °C o superior.
GaN comparado con Si: el tamaño, la eficiencia y el peso son importantes para el OBC.
- 4 x más pequeño (1/4 del tamaño)
- 4 x más ligero (1/4 del peso)
- 4 x eficiencia (1/4 de la pérdida de eficiencia)
Los dispositivos de SiC empezarán a tomar el relevo a medida que las tensiones de los cargadores se acerquen a los rangos de 600V a 1kV+ debido a sus mayores tensiones de ruptura, robustez, rápida conmutación y mayor capacidad de potencia. El silicio también pierde la batalla aquí.
Cargadores externos rápidos con SiC
Normalmente, se necesita un transformador para reducir los altos voltajes de la línea; sin embargo, con los dispositivos de SiC (con voltajes superiores a 600 V que permiten cables más pequeños y menos calor), no sería necesario reducir el voltaje, lo que permitiría utilizar la electricidad directamente de la línea. El cargador externo se alimenta de un circuito trifásico de CA a 208, 240, 380, 480 o 575 V. El SiC destaca en estos cargadores externos rápidos y de alto voltaje, que convierten la CA externa en CC con una eficiencia superior al 93%.
Un cargador de CC de 150 kW puede cargar una batería de 200 km en sólo 15 minutos. También en este caso, el SiC gana la batalla como cargador externo rápido porque los cables del cargador al VE serán más pequeños y ligeros y el SiC puede gestionar la conversión de CA externa a CC de mayor voltaje.
Diseño de mayor potencia de carga
Los diseñadores pueden conseguir una mayor potencia de carga, por ejemplo 2,4kVAC/50 kW, utilizando diez módulos de carga de 230VAC/7,2kW conectados en serie en el lado de entrada y en paralelo en los lados de salida. Esta arquitectura, con dispositivos HEMT de GaN, proporciona simultáneamente alta densidad de potencia, alta eficiencia y alta potencia. Debe implementarse la conmutación a tensión cero para la carga rápida. Figura 3.
Consulte más detalles sobre esta arquitectura de diseño en la Referencia 1.
En resumen, podemos ver que GaN y SiC son las principales opciones de elementos de potencia para las arquitecturas de diseño de carga rápida de vehículos eléctricos.
Un diseño adecuado de la placa de circuito impreso y de los parámetros de accionamiento de las puertas permite a los dispositivos de potencia de GaN y SiC revolucionar la capacidad de los cargadores de vehículos eléctricos y contribuir a hacer realidad la carga rápida de vehículos eléctricos.
Figura 3: Las arquitecturas de diseño de los cargadores de los convertidores matriciales ultrarrápidos de entrada-serie-salida-paralelo (ISOP), que utilizan dispositivos HEMT de GaN, no necesitan voluminosos condensadores de enlace de CC y presentan una alta eficiencia (Imagen de la referencia 1).
Referencias
- H. Naik, "4H-SiC Lateral MOSFETs on (0001), (000-1) and (11-20) oriented SiC substrates" Master's Thesis, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, 2009. (Esto puede estar detrás del cortafuegos de pago de IEEE Xplore)
- Comparación de semiconductores de banda ancha para aplicaciones de potencia, B. Ozpineci, L.M. Tolbert, S.K. Islam, M. Chinthavali, Oak Ridge Laboratory
