Особенности построения зарядных устройств мощностью 350 кВт на транзисторных модулях Infineon

Профильные организации по всему миру занимаются разработкой стандартов, определяющих характеристики зарядных устройств большой мощности (High Power Chargers, HPC), начиная от рабочего диапазона и последовательности зарядки, и заканчивая стандартами обмена данных и типами разъемов. В Европе и США над этими вопросами работают такие организации как CharIN и Combined Charging System (CCS). В других странах действуют другие ассоциации со своими стандартами, например, CHAdeMO в Японии и GB/T в Китае. Некоторые производители автомобилей также уделяют большое внимание разработке собственных решений для зарядных устройств. Компаниям, стремящимся выйти на этот рынок, для выполнения всех предъявляемых требований необходимо создавать зарядные устройства по модульному принципу. Рассмотрим вопрос построения быстрых зарядных устройств с большой выходной мощностью.

За многие десятилетия владельцы автомобилей, сами того не замечая, привыкли к широкой сети заправочных станций. Мысль о необходимости планирования поездки с учетом расположения заправок практически никогда не приходит в голову автолюбителям. Тем не менее, это, вероятно, одна из первых мыслей, которые приходят в голову тем, кто рассматривает возможность покупки или аренды электромобиля (Battery Electric Vehicle, BEV).

Если электромобиль на ночь остается дома, то его аккумулятор успеет зарядиться даже при использовании медленной зарядки. Во многих крупных городах начинают появляться общественные зарядные устройства, позволяющие заряжать электромобиль, например, пока владелец ходит по магазинам. Тем не менее, крайне желательно, чтобы во время дальних поездок скорость зарядки аккумуляторов была бы сравнима со скоростью заправки традиционных автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Стационарное домашнее зарядное устройство мощностью 22 кВт может за 120 минут обеспечить заряд, достаточный для автономного пробега около 200 км. Для сокращения этого времени до семи минут потребуется быстрое зарядное устройство мощностью 350 кВт.

Для выполнения всех предъявляемых требований производителям зарядных устройств необходимо создавать продукцию по модульному принципу. Это позволяет повторно использовать готовые решения, например, общий корпус и концепцию охлаждения, в то время как разъемы, кабели и силовая электроника могут быть выбраны в соответствии с требованиями целевого рынка.

Особенности реализации «быстрых» зарядных устройств

Для организации сети станций с «быстрыми» зарядными устройствами потребуется создание специальной электрической инфраструктуры малого или среднего напряжения. Ожидается, что такие зарядные станции будут установлены, в первую очередь, вдоль основных автомагистралей, например, на станциях техобслуживания. В зарядных устройствах входное переменное напряжение поступает на изолирующий трансформатор и далее преобразуется в постоянное напряжение. Чаще всего для этих целей используются трансформаторы с двойной вторичной обмоткой и соединением обмоток типа «звезда».

Входные трансформаторы работают совместно с импульсными выпрямителями, включенными последовательно или параллельно, что необходимо для снижения уровня выходных гармоник. В таких конструкциях трансформатор является обязательным, даже если изоляция может быть обеспечена на уровне DC/DC-преобразователя. Это связано с тем, что при таком подходе удается уменьшить уровень шумов. При разработке зарядного устройства в первую очередь нужно выбрать тип входного напряжения: переменное или постоянное.

При использовании входного переменного напряжения вторичная обмотка трансформатора питает несколько AC/DC-преобразователей, каждый из которых, в свою очередь, питает собственный DC/DC-преобразователь. Преимущество такого подхода заключается в упрощении структуры зарядного устройства. Тем не менее, в данном случае потребуется несколько AC/DC-преобразователей, что приводит к увеличению общей стоимости готового изделия из-за необходимости использования нескольких фильтров и систем управления. В настоящее время функция рекуперации и возврата энергии в энергосистему, например, «от транспорта в сеть» (V2G) или «от транспорта в здание» (V2B), не является обязательной. Однако если ситуация изменится, то это приведет к дополнительным затратам и увеличению сложности.

При использовании шины постоянного напряжения потребуется только один общий AC/DC-преобразователь, который будет питать все DC/DC-преобразователи. Во многих случаях такой подход оказывается более оптимальным, поскольку уменьшает количество и стоимость компонентов, а также повышает общую эффективность. Если функции рекуперации энергии V2G или V2B станут обязательными, их также возможно реализовать. Кроме того, шину постоянного напряжения легче интегрировать с другими дополнительными источниками энергии (аккумуляторами, солнечными батареями), которые могут быть размещены на электромобиле. Наконец, современные стандарты зарядных устройств поддерживают возможность создания централизованной зарядной станции, работающей в качестве входной ступени преобразования мощности для нескольких зарядных устройств. Основным недостатком такого решения становятся габариты столь мощного входного преобразователя.

Зарядные станции мощностью 2…3 МВт, как правило, строятся на базе общей шины постоянного напряжения, которая используется для питания шести-восьми мощных DC/DC-преобразователей.

Построение AC/DC-преобразователя

Современные технологии силовых транзисторов в сочетании с высокопроизводительными микроконтроллерами (MCU) и цифровой обработкой сигналов (DSP) позволяют создавать высокоэффективные схемы AC/DC-преобразователей. Современные AC/DC-преобразователи обеспечивают синусоидальное потребление тока, малые величины гармонических искажений (THDi ≤ 5%), независимое управление активной и реактивной мощностей, а также быстродействующее управление с минимальным временем отклика. Использование корректора коэффициента мощности исключает потребление реактивной мощности от сети. Наконец, существуют топологии, которые позволяют организовать передачу мощности в двух направлениях – от сети к потребителю и от потребителя в сеть.

Одной из наиболее широко используемых топологий является трехфазный мостовой преобразователь (2L-VSC). Он состоит из шести силовых ключей, обычно – IGBT или SiC-МОП-транзисторов, и выходного конденсатора. Такая схема позволяет выполнять передачу мощности в двух направлениях и обеспечивает полное регулирование коэффициента мощности. Управление силовыми ключами осуществляется с помощью ШИМ или векторного ШИМ-сигнала.

Трехфазный мостовой преобразователь может быть легко реализован с помощью силового транзисторного модуля FS45MR12W1M1_B11 семейства CoolSiC™ с рейтингом напряжения 1200 В (рисунок 1). Модуль содержит шесть МОП-транзисторов, объединенных в общем корпусе EasyPACK™ 1 B. Кроме того, в состав модуля входит NTC-датчик температуры. Отличительной чертой корпуса EasyPACK™ 1B является минимальная паразитная индуктивность. Для создания трехфазного моста могут использоваться и полумостовые модули, например, FF11MR12W1M1_B11 в корпусе EasyDUAL™ 1B. Рассмотренные силовые модули обеспечивают выходную мощность 60…100 кВт при частотах переключения 25…45 кГц.

Рис. 1. Входной каскад может быть легко реализован с помощью одного модуля MOSFET CoolSiC™ 1200 В

Если передача мощности в двух направлениях не требуется, то чаще всего в качестве AC/DC-преобразователя используется трехфазный трехуровневый выпрямитель с ШИМ-управлением, выполненный по схеме Вина (Vienna rectifier). Он требует только три силовых ключа и работает по схеме Dual boost PFC. Даже в случае отказа системы управления данный выпрямитель оказывается защищенным от короткого замыкания на выходе и способен работать в том числе при обрыве одной входной фазы. Реализация такого преобразователя на дискретных компонентах может быть достаточно сложной, но в приложениях с высокой выходной мощностью чаще используются силовые модули.

Рис. 2. Полумостовые транзисторные модули с корпусом Easy 2B идеально подходят для построения трехфазных трехуровневых выпрямителей с ШИМ-управлением (Vienna rectifier)

Трехфазный активный выпрямитель с ШИМ-управлением может быть реализован с помощью таких SiC-модулей как F3L15MR12W2M1_B69 в корпусе Easy 2B (рисунок 2). Каждый такой модуль содержит два быстродействующих выпрямительных диода с рейтингом напряжения 1200 В, два медленных выпрямительных диода с рейтингом напряжения 1600 В и два SiC-МОП-транзистора с рабочим напряжением 1200 В и сопротивлением открытого канала 15 мОм. Таким образом, для построения мощного и эффективного AC/DC-преобразователя потребуется три таких модуля (рисунок 3).

Рис. 3. Высокоэффективный преобразователь мощностью 60 кВт может быть построен на базе модулей Easy 2B

Формирование изменяемого напряжения

Спецификация CharIN устанавливает диапазон выходных напряжений для зарядных устройств 200..920 В, определяет максимальный выходной ток 500 А и выходную мощность 350 кВт. Существует ряд изолированных и неизолированных топологий DC/DC-преобразователей, с помощью которых можно обеспечить достижение озвученных характеристик.

Независимо от выбора топологии, разработчик должен учитывать несколько ключевых требований. Физические размеры и стоимость являются важными параметрами, но также нельзя забывать о необходимости соблюдения электромагнитной совместимости. Переключение при нулевых напряжении или токе (ZVS/ZCS), максимальная эффективность и обеспечение заданной выходной мощности также входят в список ключевых требований. Наконец, для предотвращения нагрева батареи важно обеспечить низкий уровень пульсаций выходного напряжения и тока.

Резонансные топологии с высокочастотным трансформатором, например, резонансные мостовые LLC-преобразователи, известны своей высокой эффективностью при работе на резонансной частоте. Благодаря ZVS-коммутациям силовых ключей на первичной стороне и ZCS-переключениям диодов на вторичной стороне эти преобразователи также обладают компактными размерами. К сожалению, разработка резонансного преобразователя с изменяемым выходным напряжением оказывается чрезвычайно сложной задачей.

При выходной мощности, превышающей 100 кВт, и при наличии входного изолирующего трансформатора можно использовать и неизолированные Buck/Boost-преобразователи. В многофазной конфигурации они могут обеспечить КПД до 98,5%. Из-за сдвига фаз такие преобразователи характеризуются низким уровнем пульсаций выходного напряжения. Кроме того, многофазный DC/DC-преобразователь по определению имеет модульную структуру, что позволяет легко адаптировать его габариты и рабочие параметры в соответствии с требованиями конкретного приложения.

Организация отвода тепла

Несмотря на невероятную эффективность, которую сегодня демонстрируют преобразователи энергии, для зарядного устройства мощностью 350 кВт падение КПД всего на 1% эквивалентно потере 3,5 кВт мощности, рассеиваемой в виде тепла. При такой нагрузке даже кабель вносит дополнительные потери около 100 Вт на метр длины. По этой причине мощным зарядным устройствам не всегда хватает активного воздушного охлаждения. В то же время для перехода на жидкостное охлаждение потребуется не только силовая электроника, но также дополнительные разъемы и кабели.

Стоит отметить, что многие охлаждающие жидкости вызывают проблемы, связанные с пожарной безопасностью, коррозией компонентов и токсичностью. В настоящий момент водно-гликолевая смесь зарекомендовала себя как наиболее популярная охлаждающая жидкость, используемая как для кабелей, так и для разъемов. Также были разработаны диэлектрические охлаждающие жидкости, например, 3M™ Novec™ была успешно внедрена в ITT Cannon HPC. В зависимости от конфигурации зарядной станции система охлаждения подключается либо к отдельному, либо к централизованному теплообменнику.

Заключение

Рост популярности электромобилей сильно связан с развитием инфраструктуры зарядных станций. Существующая сеть зарядных станций частично справляется с современными потребностями. В то же время для решения проблемы путешествий на дальние расстояния необходимы инвестиции в быстрые зарядные устройства. Жидкостное охлаждение будет неотъемлемой частью зарядного устройства, поэтому крайне важно обеспечить простую интеграцию силовой электроники и систем отвода тепла. Значение SiC-устройств, в том числе диодов и транзисторов, возрастает. Эти силовые компоненты используются как в выпрямительных каскадах, так и в составе DC/DC-преобразователей, обеспечивающих заряд аккумуляторов.

Оригинал статьи

Исчтоник: Компэл