Simplificando o projeto de energia EV ao superar o desafio de energia do driver de portão

Os sistemas de conversão de energia em EVs seguem a configuração de meia ponte. Este artigo explora o projeto de meia ponte IGBT de um lado de alta tensão (estágio de saída) do driver do gate.

EVs têm tudo a ver com potência. Grandes baterias fornecem energia para vários sistemas de conversão de energia por meio de altas tensões e correntes, e o conversor DC-DC principal fornece energia para os sistemas de baixa tensão em um veículo. O inversor de tração fornece potência mecânica às rodas. Finalmente, o sistema de carregamento da bateria fornece energia para a bateria para iniciar todo o processo novamente. Cada sistema converte energia de uma forma para outra.

A configuração de meia ponte

No coração desses sistemas está um dos principais blocos de construção dos sistemas de conversão de energia de hoje:a configuração de meia ponte. Nesta configuração, uma chave do lado alto e uma chave do lado baixo alternam rapidamente as conexões da carga entre os trilhos de alta tensão positivo e negativo. Acionar as portas dessas chaves é essencial para maximizar a eficiência, fazendo com que se comportem, tanto quanto possível, como chaves ideais. Ao compreender como a energia flui dos gate drivers para os dispositivos de comutação, a alimentação do gate driver pode ser arquitetada para realizar layouts de placa simplificados, custos reduzidos e fácil reutilização em projetos futuros.

Os sistemas EV geralmente se referem aos trilhos de alta tensão positivo e negativo como DC Link + e DC Link–. A Figura 1 mostra um circuito de meia ponte construído a partir de dispositivos IGBT e um construído usando FETs de carboneto de silício (SiC). Para ligar um IGBT, a tensão da porta para o emissor (VGE) deve subir acima de um certo limite.

Figura 1. Meias pontes com drivers de porta isolados e dispositivos de comutação IGBT e dispositivos de comutação SiC FET

Da mesma forma, no caso de um SiC FET, esta tensão aparece da porta para a fonte (VGS). Para simplificar, o restante deste artigo se referirá a um projeto de meia ponte IGBT; no entanto, os princípios discutidos também se aplicam aos projetos SiC FET. A Figura 1 também mostra os gate drivers isolados. Devido às altas tensões envolvidas em muitos sistemas EV, o isolamento geralmente é necessário para separar um controlador de sistema de baixa tensão do estágio de alta tensão. Os gate drivers isolados unem esses dois domínios, permitindo que o controlador do sistema controle os IGBTs ou SiC FETs do estágio de potência. Mais uma vez, para simplificar, o restante deste artigo se referirá apenas ao lado de alta tensão (estágio de saída) do gate-driver.

Para ligar um IGBT, o driver do gate deve aumentar a tensão do gate até pelo menos o limite VGE e então fornecer corrente suficiente para carregar o gate e ligar totalmente o IGBT. Para o driver de gate do lado inferior conectado ao DC Link–, isso é bastante simples. Conforme mostrado na Figura 1, o estágio de saída do driver do gate está ligado ao link CC - como seu aterramento e o trilho positivo do "Power Domain 2" para o VDD do estágio de saída. Em seguida, ele puxa o portão para o VDD para ligar o dispositivo do lado inferior. Isso funciona porque o VDD é referenciado a DC Link–, que está vinculado ao emissor do IGBT; então, um VGE positivo é criado. Para o motorista do portão alto, as coisas não são tão simples.

Para criar um VGE positivo, o aterramento do gate-driver do lado alto deve ser conectado ao emissor do IGBT do lado alto. Sem essa conexão, o driver do gate está essencialmente flutuando em relação ao emissor do IGBT do lado alto e não pode acionar o gate. Isso também significa que o driver do gate do lado superior deve estar em um domínio de potência separado. Se ele estiver conectado ao mesmo domínio de potência que o driver do gate do lado inferior, o emissor do IGBT do lado superior será conectado ao link CC - e interromperá a configuração da meia ponte. Portanto, a arquitetura dos domínios de potência do driver do gate, especialmente em sistemas com vários circuitos de meia-ponte, tem um impacto tremendo na complexidade do sistema.

Topologias de conversor com várias configurações de meia ponte

Muitas topologias de conversor complexas contêm mais de uma configuração de meia ponte. Por exemplo, os motores usados ​​nos sistemas de transmissão de veículos elétricos são normalmente motores trifásicos, onde cada fase é ligada e desligada para criar movimento. O inversor de tração usa três circuitos de meia ponte para alimentar cada fase do motor. Com seis dispositivos de energia e gate drivers, o planejamento cuidadoso da distribuição de energia do gate driver tem um grande impacto no desempenho. O inversor trifásico também ilustra as compensações para diferentes configurações de distribuição de energia, que também são relevantes para outros sistemas que usam apenas um ou dois circuitos de meia-ponte.

Em um inversor trifásico, todos os dispositivos do lado inferior compartilham um link CC comum– conexão com seu emissor; portanto, os drivers de porta inferior podem compartilhar um domínio de energia comum. Infelizmente, os drivers de portão alto têm seus emissores conectados às diferentes fases do sistema, portanto, três domínios de potência separados são necessários, conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2. Sistema trifásico com um único conversor DC-DC

Conectar os drivers do lado inferior a um único domínio de energia e, em seguida, usar um único conversor DC-DC para gerar todos os quatro barramentos de energia (também mostrado na Figura 2) é uma solução comum para esse problema. No entanto, essa abordagem geralmente leva a layouts de placa complexos e longos traços de PCB, que podem causar problemas de EMI em sistemas de alta frequência. Alcançar uma regulação de tensão rígida em todos os quatro trilhos de saída também é difícil ao usar um único controlador DC-DC e, finalmente, pode causar ruído do acoplamento do lado alto para o lado baixo através do transformador compartilhado. Isso é especialmente problemático em projetos de SiC de alta frequência. Uma abordagem diferente envolve dividir o conversor DC-DC em vários conversores DC-DC independentes.

Dividir o conversor DC-DC em vários conversores DC-DC independentes geralmente simplifica o layout do PCB, reduz o comprimento do traço e fornece uma regulação limpa para cada trilho de saída. Ele também reduz bastante o ruído entre os domínios de potência e permite que os sistemas baseados em SiC alcancem altas frequências de chaveamento e eficiência máxima. Além disso, o projeto do conversor DC-DC independente pode ser reutilizado em outras configurações de meia ponte com menos interruptores, como sistemas de ponte completa.

Integração de controladores DC-DC em drivers de porta

Em vez de usar seis conversores DC-DC independentes (um para cada driver de porta isolado), o sistema normalmente é dividido em quatro conversores para reduzir o custo. Conforme mostrado na Figura 3, alguns gate drivers, como o Silicon Labs Si828x, integram o controlador DC-DC para reduzir ainda mais o custo e o espaço da placa e oferecem o mesmo gate driver com e sem um controlador DC-DC integrado. Em muitos casos, essa configuração atinge o equilíbrio certo entre complexidade, custo e desempenho.

Figura 3. Sistema trifásico usando drivers de gate com controladores DC-DC integrados e quatro domínios de energia independentes

Os veículos elétricos e os sistemas de conversão de energia dos quais dependem vieram para ficar. À medida que as demandas por maior eficiência e maior alcance continuam a crescer, os sistemas de energia serão pressionados para alcançar velocidades de comutação mais rápidas, topologias mais complexas e tensões mais altas. Novos dispositivos de comutação de energia e avanços na tecnologia de driver de portão levarão a eficiência dos circuitos de meia-ponte a novos patamares. No entanto, mesmo com a evolução do circuito de meia-ponte, a arquitetura de domínio de potência continuará sendo uma consideração crítica de projeto por muitos anos.

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