Chargeurs rapides pour véhicules électriques
Introduction
Les véhicules électriques (VE) ont besoin de courant continu (CC) pour charger les batteries au lithium-ion qu'ils contiennent. Des vitesses de charge plus rapides permettent aux propriétaires de véhicules de passer moins de temps à une station de charge et plus de temps à se rendre à leur destination finale, qu'il s'agisse du travail, de la maison ou d'un long voyage pour les vacances. Les concepteurs de systèmes d'alimentation ont mis au point de très bonnes conceptions pour atteindre les taux de charge les plus rapides tout en respectant les normes de sécurité.
Pour concevoir un bon système de charge rapide pour les VE, il faut d'abord minimiser l'effort de refroidissement, fournir une densité de puissance élevée et réduire la taille et le poids du système global, en particulier dans les systèmes de charge embarqués. Une densité de puissance élevée nécessitera également un refroidissement par air forcé. L'utilisation de dispositifs WBG réduira très certainement les temps de charge avec l'utilisation de dispositifs en nitrure de gallium (GaN) ou en carbure de silicium (SiC) qui sont les plus aptes à atteindre une densité de puissance élevée dans l'architecture de conception.
Avantages du GBM
WBG power devices like SiC are able to block very high DC link voltages with lower losses as compared to Silicon (Si) insulated gate bipolar transistors (IGBTs). Le convertisseur de puissance peut fonctionner à une tension plus élevée, réduisant ainsi la quantité de courant pour le transfert de puissance nécessaire. La réduction du courant entraîne directement une réduction de l'utilisation du cuivre, ce qui augmente la densité de puissance. Figure 1.
Figure 1 : Onduleurs centraux (ou de branche), micro-onduleurs et optimiseurs de puissance. (Avec l'aimable autorisation de solartribune.com)
Avantages du GBM
Tout d'abord, examinons la conception d'une architecture conventionnelle de charge rapide embarquée, avec une conception à deux étages, contenant un étage de correction du facteur de puissance (PFC) sur le front-end, suivi d'un convertisseur DC/DC isolé. Figure 2.
Figure 2 : Un chargeur embarqué conventionnel pour VE (image tirée de la référence 1))
L'utilisation de dispositifs à large bande interdite (WBG), comme le SiC et le GaN, permet aux chargeurs de véhicules électriques de fonctionner avec des pertes plus faibles et un rendement plus élevé que le Si, ce qui permet de réduire la chaleur générée, d'où une gestion thermique moins importante et moins coûteuse ; les dispositifs WBG ont également une tension de claquage plus élevée (voir la figure 1). Les transistors MOSFET SiC discrets sont disponibles dans le commerce pour des tensions de 650 à 700 V, 900 V, 1000 V, 1200 V et 1700 V, tandis que les transistors GaN fonctionnent jusqu'à 650 V. Étant donné que les matériaux WBG résistent à des températures de fonctionnement plus élevées et présentent des courants de fuite plus faibles ainsi qu'une résistance thermique plus faible, ces dispositifs gèrent plus de puissance dans un encombrement donné que le Si.
Aujourd'hui, les tensions des batteries des véhicules électriques sont généralement comprises entre 200V et 800V+. Le GaN peut donc supporter moins de 500V pour une conception sûre en tenant compte des transitoires de commutation, tandis que le SiC peut facilement supporter les tensions les plus élevées.
Outre la baisse de la chaleur générée par la réduction des pertes de commutation, les dispositifs en SiC ont une conductivité thermique supérieure à celle du Si (4,9 W/cm-K pour le SiC, contre 1,5 W/cm-K pour le Si). Par conséquent, la chaleur est plus facilement transférée hors du dispositif SiC, et l'augmentation de la température du dispositif est donc plus lente. Le GaN a une conductivité thermique plus faible que le Si ; cependant, les performances supérieures du GaN en matière de pertes de commutation l'emportent largement sur celles du Si dans cette application de charge rapide, comme nous le verrons dans les paragraphes ci-dessous.
Les capacités de commutation rapide permettent de réduire les pertes de commutation. Des pertes de commutation plus faibles réduisent la chaleur générée pendant le processus de commutation et augmentent l'efficacité. La réduction de la chaleur générée peut conduire à des solutions de gestion thermique plus petites et moins coûteuses. Le fonctionnement à des fréquences plus élevées peut également permettre l'utilisation de composants de stockage d'énergie passifs plus petits et moins coûteux, tels que les inductances et les condensateurs. Le GaN est bien supérieur au SiC ou au Si en ce qui concerne les pertes de commutation.
Cependant, les pertes de commutation ne donnent pas une image complète de la situation. Les pertes totales comprennent les pertes par commutation et par conduction. Les pertes de commutation sont celles générées lorsque le dispositif "passe" de l'état éteint à l'état allumé ou de l'état allumé à l'état éteint. Les pertes par conduction se produisent lorsque le dispositif est entièrement sous tension ; le principal facteur contribuant aux pertes par conduction est Rds(on) ou (Résistance du drain à la source à l'état "sous tension"). En général, les dispositifs SiC ont une Rds(on) plus faible et plus stable en fonction de la température que les dispositifs GaN. Cela peut conduire à des pertes de conduction plus faibles pour le SiC que pour le GaN.
Évaluation des pertes globales
La figure de mérite (FOM) est utilisée comme comparaison générale des pertes de commutation et de conduction et est calculée par (charge de grille * résistance de marche) ou (Qg * Rds(marche)). La charge de grille (Qg) est un indicateur des pertes de commutation, tandis que la résistance de marche (Rds(on)) représente les pertes de conduction. La comparaison du produit des deux paramètres donne une indication des performances globales.
Les dispositifs GaN ont un FOM 13 fois meilleur que les meilleurs MOSFET à super jonction Si, principalement en raison de la très faible charge de grille.
Caractéristiques principales du WBG par rapport au Si
Le SiC, ainsi que le GaN, fonctionnent à des fréquences plus élevées que les MOSFET ou les IGBT en silicium. Les dispositifs WBG auront également des pertes de puissance de commutation bien inférieures à celles du silicium. La vitesse de commutation plus élevée des WBG permet également de réduire les magnétiques plus grands et plus lourds, ce qui permet des conceptions plus légères et de plus faible puissance, avec une meilleure efficacité énergétique.
Les dispositifs SiC résistent à des températures plus élevées que le GaN, ce qui réduit les besoins de refroidissement, mais le GaN a une tension de grille de seuil plus basse que le SiC pour atteindre le courant de sortie requis. Le GaN présente également un taux de variation de tension plus élevé par rapport au temps (dv/dt) et donc une commutation plus rapide dans les périodes de marche et d'arrêt que le SiC, ce qui permet d'atteindre des vitesses plus élevées.
Chargeurs embarqués rapides (OBC) utilisant le GaN
Le GaN a une densité de puissance élevée et des capacités de commutation très rapides, ce qui en fait le dispositif de puissance de choix par rapport au Si et au SiC pour les chargeurs embarqués rapides de moins de 600V. Les pertes de commutation réduites et le rendement plus élevé permettent au GaN de dissiper moins de chaleur, ce qui nécessite des dissipateurs thermiques plus petits et moins coûteux.
Ces caractéristiques permettent d'obtenir un chargeur embarqué plus petit et plus léger, ce qui est avantageux pour maintenir le poids et la taille des véhicules. Le GaN peut répondre au critère de fiabilité MTTF d'un million d'heures à une température de jonction de 200°C ou plus.
GaN comparé au Si : la taille, l'efficacité et le poids sont importants pour l'OBC.
- 4 x plus petit (1/4 de la taille)
- 4 x plus léger (1/4 du poids)
- 4 x rendement (1/4 de la perte de rendement)
Les dispositifs SiC commenceront à prendre le dessus lorsque les tensions de charge approcheront les plages de 600V à 1kV+ en raison de leurs tensions de claquage plus élevées, de leur robustesse, de leur commutation rapide et de leur capacité de puissance plus élevée. Ici aussi, le silicium perd la bataille.
Chargeurs rapides hors carte utilisant le SiC
En règle générale, un transformateur est nécessaire pour réduire les tensions élevées de la ligne ; cependant, avec les dispositifs SiC (à des tensions supérieures à 600 V, ce qui permet de réduire la taille des câbles et la chaleur), la tension n'a pas besoin d'être abaissée, ce qui permet d'utiliser l'électricité directement à partir de la ligne. Le chargeur embarqué est alimenté par un circuit CA triphasé de 208, 240, 380, 480 ou 575 V. Le SiC se distingue dans ces chargeurs embarqués rapides à haute tension qui convertissent le CA externe en courant continu avec un rendement supérieur à 93 %.
Un chargeur CC de 150 kW peut charger une batterie de 200 km en 15 minutes seulement. Là encore, le SiC remporte la bataille en tant que chargeur rapide hors bord, car les câbles reliant le chargeur au véhicule électrique seront plus petits et plus légers et le SiC peut gérer la conversion du courant alternatif externe en courant continu à plus haute tension.
Conception d'une puissance de charge plus élevée
Les concepteurs peuvent obtenir une puissance de charge plus élevée, par exemple 2,4kVAC/50 kW, en utilisant dix modules de charge 230VAC/7,2kW connectés en série du côté de l'entrée et en parallèle du côté de la sortie. Cette architecture, avec des dispositifs GaN HEMT, permet d'obtenir simultanément une densité de puissance élevée, un rendement élevé et une grande puissance. La commutation à tension nulle, pour la charge rapide, devrait être mise en œuvre. Figure 3.
Pour plus de détails sur cette architecture, voir la référence 1.
En résumé, nous pouvons constater que GaN et SiC sont les principaux choix d'éléments de puissance pour les architectures de charge rapide des véhicules électriques.
Une disposition adéquate des cartes de circuits imprimés et la conception des paramètres de commande de la grille permettent aux dispositifs de puissance GaN et SiC de révolutionner les capacités des chargeurs de VE et de faire de la recharge rapide des VE une réalité.
Figure 3 : Les architectures de conception de chargeurs de convertisseurs matriciels ultrarapides ISOP (Input-series-output-parallel), qui utilisent des dispositifs GaN HEMT, ne nécessitent pas de condensateurs de liaison CC encombrants et ont un rendement élevé (image tirée de la référence 1).
Références
- H. Naik, "4H-SiC Lateral MOSFETs on (0001), (000-1) and (11-20) oriented SiC substrates" Mémoire de maîtrise, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, 2009. (Ceci peut être derrière le pare-feu payant d'IEEE Xplore)
- Comparaison des semi-conducteurs à large bande passante pour les applications de puissance, B. Ozpineci, L.M. Tolbert, S.K. Islam, M. Chinthavali, Oak Ridge Laboratory
