In un mondo che si muove rapidamente verso un futuro sempre più verde, la rapida crescita dei veicoli elettrici (EV) assume un ruolo fondamentale. Le soluzioni di isolamento svolgono un ruolo fondamentale in questo settore in continua evoluzione, consentendo alla tecnologia di ricarica dei veicoli elettrici di operare in modo sicuro ed efficiente. Le soluzioni avanzate proposte da Broadcom consentono ai progettisti di risolvere i problemi di isolamento nei sistemi di ricarica AC e DC, contribuendo alla realizzazione dell’ecosistema per la mobilità elettrica.
In occasione di Fortronic 2023, la manifestazione dedicata all’elettronica industriale e alle innovazioni per l’e-charging svoltasi lo scorso 16 e 17 novembre a Bologna, il Dr. Saeed Safari, Principal Field Applications Engineer (FAE) per i prodotti industriali di Broadcom, ha tenuto una relazione dal titolo “Accelerating EV Charging Innovation with Broadcom Isolation Products: Overcoming Design Challenges and Ensuring Safety”. Questo articolo è focalizzato sui temi proposti in tale presentazione.
Panoramica sulla ricarica EV
Il mercato dei sistemi per la ricarica dei veicoli elettrici sta vivendo una crescita significativa, con l’ambizioso obiettivo di raggiungere circa 16 milioni di stazioni di ricarica entro il 2028. Un aspetto cruciale per i clienti è quello di ricaricare i veicoli elettrici il più rapidamente possibile, contribuendo così ad alleviare l’ansia da autonomia.
Per ridurre i tempi di ricarica, sono stati introdotti sistemi per la ricarica rapida in corrente continua con una potenza di uscita che va da 50 kW (tempo di ricarica di circa 80 minuti) fino a 350 kW (tempo di ricarica di circa 12 minuti). Per tenere il passo con le batterie ad alta tensione, il livello di tensione utilizzato nei sistemi di ricarica EV è aumentato di conseguenza fino a 800V.
Come illustrato nella Figura 1, oggi sono disponibili diversi tipi di livelli di ricarica per EV. La scelta dipende da fattori o requisiti specifici, come la potenza di uscita, l’installazione pubblica o domestica e il tipo di convertitore di carica.
Figura 1: I diversi tipi di livelli di ricarica per veicoli elettrici (Fonte: Broadcom1)
Una topologia comune per un sistem di ricarica DC Wall Box è rappresentata a sinistra nella Figura 2. Essa comprende uno stadio PFC totem-pole seguito da uno stadio DC-DC isolato. Un’altra topologia comune per i sistemi di ricarica DC ad alta potenza, visibile a destra, utilizza un circuito raddrizzatore PWM per la tensione di ingresso trifase, seguito da un convertitore DC-DC.
Figura 2: Principali topologie per la ricarica rapida in corrente continua (Fonte: Broadcom1)
Trend dell’elettronica di potenza
La tendenza principale dell’elettronica di potenza è quella di realizzare prodotti più efficienti, compatti e affidabili. Queste applicazioni comprendono non solo le stazioni di ricarica per veicoli elettrici, ma anche la generazione di energia rinnovabile e i sistemi di stoccaggio dell’energia. Per ridurre le perdite, la tensione operativa dei dispositivi di potenza sta aumentando, passando da 400V a 800V, o addirittura a 1.500V in applicazioni come i pannelli solari.
I requisiti di alta tensione possono essere soddisfatti utilizzando dispositivi wide bandgap (WBG), che consentono una maggiore efficienza grazie alla riduzione delle perdite di commutazione e di conduzione e una maggiore densità di potenza grazie alle dimensioni e al peso ridotti, ottenuti attraverso un aumento della frequenza di commutazione. Inoltre, la sicurezza è imperativa e richiede soluzioni di monitoraggio adeguate.
Il ruolo dell’isolamento
Un aspetto cruciale in molte di queste applicazioni, in particolare nelle stazioni di ricarica rapida DC, è l’isolamento. Le barriere di isolamento non solo garantiscono al personale e ai conducenti dei veicoli elettrici un funzionamento sicuro, ma proteggono anche dalle alte tensioni i componenti hardware sensibili, come i microcontrollori e altri elementi digitali.
Per implementare l’isolamento, esistono tre diverse tecnologie principali, ognuna delle quali utilizza materiali isolanti diversi:
- Tecnologia ottica (optoaccoppiatore). Il materiale isolante è composto da tre strati (silicone/nastro Kapton/silicone), che garantiscono un’ottima resistenza all’isolamento. La suscettibilità EMI/EMC è molto buona, poiché sul lato del rilevatore è presente uno schermo di Faraday. Questo tipo di soluzione è totalmente immune da qualsiasi variazione di dV/dt grazie alla schermatura all’interno dell’optoaccoppiatore.
- Accoppiatore magnetico. L’isolamento è garantito da un singolo strato di poliimmide e la resistenza dell’isolamento è discreta. La suscettibilità EMI/EMC è debole.
- Accoppiatore capacitivo. In questo caso, come materiale isolante viene utilizzato uno strato di biossido di silicio e il grado di isolamento è debole. La suscettibilità EMI/EMC è discreta.
Per l’optoaccoppiatore esiste una norma IEC specifica, la IEC-60747-5-5 (isolamento rinforzato), sviluppata negli ultimi 30 anni e oggi completamente consolidata. Per le altre due tecnologie di isolamento c’è una situazione di stallo. Nonostante questo stallo nella normativa, vengono utilizzati due parametri significativi, ovvero la durata di vita e l’affidabilità del sistema in caso di guasto. Se si verifica un guasto della barriera di isolamento, tutta l’alta tensione del convertitore potrebbe potenzialmente essere trasferita all’utilizatore del sistema di ricarica.
Le soluzioni di Broadcom
Per quanto riguarda in particolare i prodotti come i gate drive con isolamento ottico, Broadcom offre un’ampia selezione di dispositivi adatti a pilotare diversi tipi di semiconduttori di potenza, come IGBT al silicio, MOSFET al carburo di silicio o transistor GaN (vedi Figura 3).
Come illustrato in Figura 3, ogni classe di prodotti è suddivisa in due gruppi principali: basic e smart. L’ACFL-3161, ad esempio, è un dispositivo optoaccoppiatore per gate drive da 10A, progettato per applicazioni industriali ad alta tensione e con limiti di spazio, come inverter e azionamenti di motori, e disponibile in un contenitore SSO-12. Con un’immunità ai transitori di modo comune (CMTI) superiore a 100kV/μs, il componente riduce efficacemente il rischio di guasti al gate driver causati da disturbi in ambienti rumorosi. Inoltre, il ritardo di propagazione del nuovo dispositivo è inferiore a 95ns, il che consente la commutazione ad alta frequenza e aumenta l’efficienza di funzionamento degli IGBT e dei MOSFET SiC/GaN. Le versioni smart di questa famiglia di prodotti, come l’ACPL-355JC, includono funzioni avanzate, come la diagnostica, la protezione e la segnalazione dei guasti di IGBT e MOSFET SiC.
Esistono diverse generazioni di gate driver, che hanno portato a costanti miglioramenti nelle correnti di uscita di picco, nel ritardo di propagazione, nel tempo di salita/discesa e nel CMTI. L’ACFJ-3262 è un optoaccoppiatore di gate drive a doppio canale da 10A con due uscite separate rail-to-rail per source e sink. Per tutti questi gate drive, Broadcom fornisce progetti di riferimento e schede di valutazione. La terza generazione di gate driver, prevista per il 2023/2024, migliorerà ulteriormente le prestazioni.
Figura 3: Driver di gate Bradcom per interruttori di potenza SiC e GaN (Fonte: Broadcom1)
Un altro gruppo di isolatori forniti da Broadcom è rappresentato dai sensori di corrente e tensione isolati. Questi dispositivi sono necessari nei caricabatterie per veicoli elettrici per misurare le due tensioni e correnti principali. Soprattutto per i caricabatterie veloci a corrente continua, è molto importante disporre di un loop di corrente molto veloce con una larghezza di banda molto bassa per misurare la corrente e, allo stesso tempo, essere in grado di rilevare un cortocircuito.
L’ACPL-C72B, ad esempio, è un amplificatore di isolamento progettato per il rilevamento della corrente nei convertitori elettronici di potenza. In una tipica applicazione di ricarica per veicoli elettrici, la corrente scorre attraverso un resistore shunt esterno e la caduta di tensione analogica risultante viene rilevata da questo amplificatore di isolamento. Dall’altra parte della barriera di isolamento ottico, viene creata una tensione di uscita differenziale, proporzionale alla corrente. Sono disponibili anche sensori di corrente con tensione di uscita digitale.
Per la misurazione della tensione continua o alternata, Broadcom ha introdotto sensori di tensione otticamente isolati, come l’ACPL-C877, un modulatore sigma-delta a 1 bit del secondo ordine progettato specificamente per il rilevamento della tensione. Basato sulla tecnologia di accoppiamento ottico, il modulatore sigma-delta trasforma un segnale di ingresso analogico da 0V a 2V in un flusso di dati ad alta velocità tramite isolamento galvanico. Sono disponibili anche altri sensori di tensione isolati con tensione di uscita analogica. L’impedenza di ingresso di questi dispositivi (1 GΩ) contribuisce a ridurre la perdita di potenza del sistema.
Consideriamo ora un sistema di ricarica AC, come quello elencato nelle prime due colonne di Figura 1. Broadcom ha un prodotto speciale che può essere utilizzato per il rilevamento della protezione di terra, un dispositivo necessario in questo tipo di sistema. L’ACPL-K376, ad esempio, è in grado di rilevare il collegamento di terra prima di iniziare la ricarica del veicolo. Questo dispositivo, un optoaccoppiatore per il rilevamento della soglia di tensione/corrente, utilizza un LED AlGaAs ad alta efficienza in grado di fornire un’emissione luminosa più elevata a correnti di pilotaggio inferiori.
Il futuro della tecnologia di isolamento
Al termine del suo intervento, il Dr. Saeed Safari ha evidenziato le tendenze future della tecnologia ottica per la realizzazione dell’isolamento. Questa tecnologia è stata utilizzata per la prima volta più di 50 anni fa, ma negli anni successivi ci sono stati sviluppi significativi e nuovi progetti. Ad esempio, oggi disponiamo di LED molto più luminosi che possono migliorare la velocità degli isolatori ottici. Inoltre, esistono diverse opzioni di packaging, comprese quelle progettate per applicazioni ad alta tensione e potenza. Questi progressi hanno facilitato l’uso di questo prodotto nelle applicazioni ad alta tensione. Inoltre, sono stati compiuti progressi nella tecnologia di rilevamento su CMOS, che ci ha fornito una tecnologia molto migliore.
