Caricabatterie veloci per veicoli elettrici
Introduzione
I veicoli elettrici (EV) hanno bisogno di corrente continua (DC) per caricare le batterie agli ioni di litio presenti nel veicolo. Le velocità di ricarica più rapide consentono ai proprietari di veicoli di trascorrere meno tempo in una stazione di ricarica e più tempo per raggiungere la destinazione finale, che sia il lavoro, la casa o un lungo viaggio per una vacanza. I progettisti hanno sviluppato progetti molto validi per raggiungere le velocità di ricarica più elevate nel rispetto degli standard di sicurezza.
Per progettare un buon sistema di ricarica rapida per i veicoli elettrici è necessario innanzitutto ridurre al minimo lo sforzo di raffreddamento, fornire un'elevata densità di potenza e ridurre le dimensioni e il peso complessivo del sistema, soprattutto nei sistemi di ricarica a bordo. L'alta densità di potenza richiederà anche la necessità di un raffreddamento ad aria forzata. L'utilizzo di dispositivi WBG ridurrà sicuramente i tempi di ricarica con l'uso di dispositivi al nitruro di gallio (GaN) o al carburo di silicio (SiC), che sono i migliori per raggiungere un'elevata densità di potenza nell'architettura di progetto.
Vantaggi del WBG
I dispositivi di potenza WBG come il SiC sono in grado di bloccare tensioni di collegamento CC molto elevate con perdite inferiori rispetto ai transistor bipolari a gate isolato (IGBT) al silicio (Si). Il convertitore di potenza può funzionare a una tensione più elevata, riducendo così la quantità di corrente per il trasferimento di potenza richiesto. La riduzione della corrente porta direttamente a un minore utilizzo di rame, che a sua volta aumenta la densità di potenza. Figura 1.
Figura 1: Inverter centrali (o di stringa), microinverter e ottimizzatori di potenza. (Per gentile concessione di solartribune.com)
Vantaggi del WBG
In primo luogo, analizziamo il progetto di un'architettura convenzionale di ricarica rapida a bordo, con un progetto a due stadi, contenente uno stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) sul front-end seguito da un convertitore CC/CC isolato. Figura 2.
Figura 2: Un caricabatterie convenzionale per veicoli elettrici a bordo (immagine tratta dal riferimento 1))
L'utilizzo di dispositivi Wide BandGap (WBG), come SiC e GaN, consente ai caricabatterie per veicoli elettrici di funzionare con perdite inferiori e un'efficienza superiore rispetto al Si, con una minore generazione di calore che porta a una gestione termica meno sostanziale e meno costosa; i dispositivi WBG hanno anche una tensione di breakdown più elevata (vedere Figura 1). I MOSFET SiC discreti sono disponibili in commercio a 650V-700V, 900V, 1000V, 1200V, 1700V, mentre i transistor GaN funzionano fino a 650V. Poiché i materiali WBG resistono a temperature di esercizio più elevate e presentano correnti di dispersione inferiori e una minore resistenza termica, questi dispositivi sono in grado di gestire una maggiore potenza in un determinato ingombro rispetto al Si.
Le tensioni delle batterie dei veicoli elettrici sono in genere comprese tra 200 e 800 V, quindi il GaN è in grado di gestire meno di 500 V per una progettazione sicura, tenendo conto dei transienti di commutazione, mentre il SiC è in grado di gestire facilmente le tensioni più elevate.
Oltre al minor calore generato dalla riduzione delle perdite di commutazione, i dispositivi SiC hanno una conducibilità termica superiore a quella del Si (4,9 W/cm-K per il SiC, contro 1,5 W/cm-K per il Si). Il GaN ha una conducibilità termica inferiore rispetto al Si; tuttavia, le prestazioni superiori in termini di perdite di commutazione del GaN superano di gran lunga quelle del Si in questa applicazione di ricarica rapida, come vedremo nei paragrafi successivi.
Le capacità di commutazione rapida si traducono in minori perdite di commutazione. Perdite di commutazione inferiori riducono il calore generato durante il processo di commutazione e aumentano l'efficienza. La riduzione del calore generato può portare a soluzioni di gestione termica più piccole e meno costose. Il funzionamento a frequenze più elevate può anche consentire l'uso di componenti passivi di accumulo dell'energia più piccoli e meno costosi, come induttori e condensatori. Il GaN è di gran lunga superiore al SiC o al Si per quanto riguarda le perdite di commutazione.
Tuttavia, le perdite di commutazione non raccontano l'intera storia. Le perdite totali comprendono le perdite di commutazione e di conduzione. Le perdite di commutazione sono quelle generate quando il dispositivo "commuta" dallo stato off a quello on o on a quello off. Le perdite di conduzione si verificano quando il dispositivo è completamente acceso; il fattore principale che contribuisce alle perdite di conduzione è Rds(on) o (resistenza dal drain alla source nello stato "on"). In generale, i dispositivi SiC hanno una Rds(on) più bassa e più stabile rispetto ai dispositivi GaN. Questo può portare a perdite di conduzione inferiori per i dispositivi SiC rispetto a quelli GaN.
Misurazione delle perdite complessive
La figura di merito (FOM) viene utilizzata come confronto generale delle perdite di commutazione e di conduzione ed è calcolata da (carica di gate * resistenza di accensione) o (Qg * Rds(on)). La carica di gate (Qg) è un indicatore delle perdite di commutazione, mentre la Rds(on) rappresenta le perdite di conduzione. Il confronto del prodotto dei due parametri fornisce un'indicazione delle prestazioni complessive.
I dispositivi GaN hanno una FOM 13 volte migliore rispetto ai migliori MOSFET a supergiunzione in Si, soprattutto grazie alla bassissima carica di gate.
Caratteristiche principali di WBG vs Si
Il SiC, così come il GaN, operano a frequenze più elevate rispetto ai MOSFET o agli IGBT al silicio. I dispositivi WBG presentano inoltre perdite di potenza di commutazione molto inferiori rispetto al SiC. La maggiore velocità di commutazione dei WBG riduce anche i magneti più grandi e pesanti, consentendo così di realizzare progetti più leggeri e di minore potenza, con una migliore efficienza energetica.
I dispositivi SiC resistono a temperature più elevate rispetto al GaN, riducendo così le esigenze di raffreddamento, ma il GaN ha una tensione di soglia inferiore rispetto al SiC per raggiungere la corrente di uscita richiesta. Il GaN ha anche un tasso di variazione della tensione rispetto al tempo (dv/dt) più elevato e quindi una commutazione più rapida sia nei periodi di accensione che di spegnimento rispetto al SiC, consentendo così velocità più elevate.
Caricabatterie veloci a bordo (OBC) con GaN
Il GaN ha un'elevata densità di potenza e capacità di commutazione molto rapida, che lo rendono il dispositivo di potenza preferito rispetto a Si e SiC per i caricabatterie veloci di bordo sotto i 600V. Le ridotte perdite di commutazione e la maggiore efficienza consentono al GaN di dissipare meno calore, richiedendo così dissipatori di calore più piccoli e meno costosi.
Queste caratteristiche consentono di ottenere un caricabatterie di bordo più piccolo e leggero, a tutto vantaggio della riduzione del peso e delle dimensioni dell'automobile. Il GaN è in grado di supportare il parametro di affidabilità MTTF di un milione di ore a una temperatura di giunzione di 200°C o superiore.
GaN rispetto a Si: dimensioni, efficienza e peso sono importanti per gli OBC.
- 4 x più piccoli (1/4 della dimensione)
- 4 x più leggeri (1/4 del peso)
- 4 x efficienza (1/4 della perdita di efficienza)
I dispositivi SiC inizieranno a prendere il sopravvento quando le tensioni dei caricabatterie si avvicineranno alle gamme da 600V a 1kV+, grazie alle loro tensioni di ripartizione più elevate, alla robustezza, alla commutazione rapida e alla capacità di potenza superiore. Anche in questo caso il silicio perde la battaglia.
Caricabatterie veloci fuori scheda con SiC
In genere, è necessario un trasformatore per ridurre le alte tensioni della linea; tuttavia, con i dispositivi SiC (a tensioni più elevate, superiori a 600 V, che consentono di ridurre le dimensioni dei cavi e il calore), non è necessario ridurre la tensione, consentendo di utilizzare l'elettricità direttamente dalla linea. Il caricabatterie fuori bordo è servito da un circuito trifase in corrente alternata a 208, 240, 380, 480 o 575 V. Il SiC brilla in questi caricabatterie fuori bordo veloci e ad alta tensione che convertono la corrente alternata esterna in corrente continua con un'efficienza superiore al 93%.
Un caricabatterie a corrente continua da 150 kW può caricare una batteria da 200 km in soli 15 minuti. Anche in questo caso, il SiC vince la battaglia come caricatore veloce fuori bordo, perché i cavi dal caricatore all'EV saranno più piccoli e leggeri e il SiC può gestire la conversione esterna da corrente alternata a corrente continua ad alta tensione.
Design a più alta potenza di carica
I progettisti possono ottenere una potenza di carica più elevata, ad esempio 2,4kVAC/50 kW, utilizzando dieci moduli di carica da 230VAC/7,2kW collegati in serie all'ingresso e in parallelo all'uscita. Questa architettura, con dispositivi GaN HEMT, fornisce contemporaneamente alta densità di potenza, alta efficienza e alta potenza. Dovrebbe essere implementata la commutazione a tensione zero per la ricarica rapida. Figura 3.
Per maggiori dettagli su questa architettura di progetto, consultare il riferimento 1.
In sintesi, possiamo notare che GaN e SiC sono i principali elementi di potenza scelti per le architetture di ricarica rapida dei veicoli elettrici.
Un layout adeguato della scheda PC e la progettazione dei parametri di gate-drive consentono ai dispositivi di potenza GaN e SiC di rivoluzionare le funzionalità dei caricabatterie per veicoli elettrici e di contribuire a rendere la ricarica rapida dei veicoli elettrici una realtà.
Figura 3: Le architetture del caricabatterie del convertitore a matrice ultraveloce ISOP (Input-Series-Output-Parallel), che utilizzano dispositivi HEMT GaN, non necessitano di ingombranti condensatori del circuito intermedio e presentano un'elevata efficienza (immagine dal riferimento 1).
Riferimenti
- H. Naik, "MOSFET laterali 4H-SiC su substrati di SiC orientati (0001), (000-1) e (11-20)" Tesi di Master, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY, 2009. (Potrebbe essere dietro il firewall a pagamento di IEEE Xplore)
- Confronto tra semiconduttori ad ampio bandgap per applicazioni di potenza, B. Ozpineci, L.M. Tolbert, S.K. Islam, M. Chinthavali, Oak Ridge Laboratory
