I MOSFET SiC come alternativa agli IGBT nei caricabatterie bidirezionali per i veicoli elettrici
TRADUZIONE DALL’ARTICOLO SiC MOSFETs Replace IGBTs in EV Bidirectional Chargers
Il successo dei veicoli elettrici (EV) e in generale della mobilità elettrica dipende sicuramente dal tempo necessario alla ricarica delle batterie.
Il tempo di ricarica dei veicoli elettrici (EV) è stato a lungo considerato il tallone d’Achille dei veicoli elettrici, per tale motivo, nel tempo, sono state sviluppate soluzioni avanzate per ridurlo, si pensi alla ricarica rapida che richiede solo pochi minuti per alimentare il veicolo.
I sistemi di ricarica di bordo (OBC), collegati direttamente alla rete AC, richiedono generalmente almeno quattro ore per ogni carica, mentre avvalendosi dei sistemi di ricarica rapida che funzionano in corrente continua DC si riesce a ridurre il tempo di ricarica in circa 30 minuti.
I MOSFET di potenza a base di carburo di silicio (SiC) giocano un ruolo fondamentale proprio nei sistemi di ricarica. Questo perché, Il SiC è un semiconduttore a banda larga che rispetto al silicio offre vantaggi quali alta efficienza, densità di potenza, elevata affidabilità e durata. In tal modo si riesce ad ottenere una soluzione a basso costo e di ridotte dimensioni.
Come mostrato in Figura 1, pur avendo requisiti di alimentazione e specifiche tecniche differenti, entrambi i sistemi di ricarica possono beneficiare dell’utilizzo di MOSFET SiC, in grado di gestire l’ampio range di tensione (tipicamente tra 200 V e 800 V) delle batterie installate nei veicoli elettrici, riducendo le perdite di potenza fino al 40%, aumentando la densità di potenza del 50%, dimezzando il numero di componenti attivi e riducendo il costo complessivo della soluzione.
Il blocco AFE a due livelli basato su SiC
Per
gestire l’ampia gamma di tensioni delle batterie EV e la carica/scarica
bidirezionale, Wolfspeed ha sviluppato un active front end (AFE) da 22 kW e un
convertitore DC/DC flessibile che può essere adattato sia ai sistemi di
ricarica OBC che ai caricabatterie rapidi DC.
La soluzione proposta, basata su MOSFET SiC da 1.200 V con RDS (on) = 32 mΩ
(Figura 2), fornisce una densità di potenza molto elevata (4,6 kW/L) ed
efficienza (>98,5%) a un costo inferiore.
A differenza di altre topologie standard, come il design basato su IGBT a sei switch (una soluzione semplice ma molto meno efficiente e ad alta densità di potenza) e il convertitore di tipo T (una soluzione più complessa e costosa), il SiC AFE offre un controllo semplice e l’interfaccia del driver, che supporta un funzionamento bidirezionale con un ridotto numero di parti.
Il C3M0032120K, un MOSFET SiC da 1,2 kV 32 mΩ con Kelvin-source package, aiuta a ridurre la perdita di commutazione e la diafonia, consentendo una tensione di pilotaggio semplice da -3 a 15-V Vgs. Inoltre, il design AFE è stato ottimizzato per l’uso con magneti in modo da riuscire ad ottenere un’elevata frequenza di commutazione (45 kHz) con una minore perdita di potenza sia sul nucleo che sull’avvolgimento.
L’AFE utilizza anche un circuito di controllo digitale in grado di supportare schemi PWM sia trifase che monofase, bilanciando le perdite di commutazione e ottimizzando le prestazioni termiche, l’efficienza e l’affidabilità. Inoltre, il controllo variabile della tensione del collegamento DC consente un’elevata efficienza del sistema variando la tensione di uscita del bus DC in base alla tensione della batteria rilevata e garantendo che il CLLC funzioni vicino alla frequenza di risonanza.
La Figura 3 (in alto) mostra le forme d’onda nella modalità monofase durante la carica (operazione totem-pole) e la scarica (operazione interleaved). Le forme d’onda in Figura 3 (in basso), che hanno una distorsione armonica totale inferiore al 5%, si riferiscono invece ad una configurazione AFE trifase.
Rispetto
ad una soluzione tradizionale basata su IGBT (la cui efficienza massima è del
96%), il MOSFET SiC raggiunge un’efficienza del 98,5%, riducendo le perdite di
potenza fino al 38%.
Inoltre, il SiC consente temperature di esercizio inferiori e quindi una
migliore gestione termica. In condizioni di massima potenza (22 kW), è stata
misurata 89,4 °C sul case, 112,4 °C (calcolato) alla giunzione e 65 °C sulla
piastra di base. La Figura 4 mostra le curve di efficienza relative ai
risultati ottenuti con le prove.
Convertitore Full-bridge CLLC DC/DC con MOSFET SiC da 1,2 kV
Un altro schema applicativo interessante è il convertitore full-bridge CLLC DC/DC, in cui i MOSFET SiC da 1,2 kV possono essere impiegati in un unico schema di convertitore ad alta efficienza a due livelli (Figura 5), permettendo di ridurre il numero di componenti ed il costo complessivo del sistema. Le correnti di esercizio sul circuito intermedio (900 V) raggiungono i 22,6 ARMS, mentre sul lato batteria (800 V) arrivano fino a 28,5 ARMS.
In combinazione con il blocco SiC AFE, il design full-bridge DC/DC beneficia della tensione variabile DC fornita dall’AFE in base alla tensione rilevata della batteria da caricare. Ciò consente al CLLC di funzionare vicino alla frequenza di risonanza, ottenendo un’elevata efficienza del sistema. Quando la tensione della batteria è bassa, il controllo passa in modalità phase-shift, riducendo il guadagno del circuito senza funzionare in modo inefficiente al di fuori della gamma di frequenza di risonanza.
A tensioni di uscita inferiori (appena sopra i 400 V), il primario CLLC viene eseguito come un semiponte, riducendo ulteriormente il guadagno del sistema e mantenendo il convertitore risonante in una zona operativa efficiente. La modalità a mezzo ponte ha alcune limitazioni nella gamma di potenza totale, ma fornisce una forte efficienza di picco del 98%, anche per le batterie a bassa tensione.
La figura 6 mostra le forme d’onda, sia di carica che di scarica, relative alla configurazione full-bridge. Esaminandoli, è possibile osservare la regolarità della commutazione (low overshoot), combinata con l’accensione a tensione zero e lo spegnimento a bassa corrente, che si traduce in una maggiore efficienza.
L’efficienza del convertitore DC/DC durante la ricarica raggiunge il valore massimo del 98,5% e rimane al di sopra del 97% fino a quando non entra in modalità half-bridge (Figura 7). Si noti come, per valori inferiori della tensione di uscita durante la ricarica, la modalità half-bridge limiti sia l’efficienza che la potenza di uscita. Curve simili si ottengono durante il processo di scarica.
La perdita e le temperature più elevate sono state registrate con il MOSFET CLLC nel test 480-VDC @ 17,28-kW, con una perdita di potenza calcolata di 42 W, temperatura del case di 97,8 °C e temperatura di giunzione calcolata di 116,7 °C.
Conclusioni
I convertitori Wolfspeed’s 22-kW AC/DC and DC/DC offrono prestazioni elevate di MOSFET Gen3 SiC per caricabatteria di bordo dei veicoli, caricabatterie rapidi ed in generale per applicazioni di energy storage. Inoltre, per ottenere efficienza e densità di potenza ai massimi livelli, si possono combinare metodi di controllo innovativi come il controllo del bus DC variabile, la combinazione di modulazione di frequenza e sfasamento od anche le topologie half-bridge/full-bridge.
Wolfspeed offre molte altre soluzioni e strumenti di supporto aggiuntivi, inclusi schemi di progettazione e file di layout, BOMs, informazioni sui magneti preferiti, note applicative e alcuni firmware su richiesta.
Inoltre, il programma di simulazione SpeedFit aiuta a calcolare rapidamente le perdite e stimare la temperatura di giunzione per i dispositivi di alimentazione in base ai dati di laboratorio per tipologie comuni che vanno dai semplici convertitori buck e boost a un PFC totem-pole completamente bidirezionale con un convertitore DC/DC risonante.
DA SiC MOSFETs Replace IGBTs in EV Bidirectional Chargers , AUTORE Maurizio Di Paolo Emilio/ Power Electronics News
