Capacitadores de tecnologia para carregadores EV mais rápidos, seguros e de alta eficiência

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À medida que o número de veículos elétricos (VEs) aumenta, há uma necessidade crescente de criar sistemas de infraestrutura de carregamento com maior eficiência energética que possam carregar veículos mais rápido do que nunca. Novos EVs têm alcances mais altos e capacidades de bateria maiores do que seus predecessores, necessitando do desenvolvimento de soluções de carregamento DC rápido para suportar os requisitos de carregamento rápido. Leva aproximadamente 30 minutos para uma estação de carregamento de 150 ou 200 kW carregar um EV até 80%, que é energia suficiente para viajar aproximadamente 250 km. Uma estação de carga DC rápida, de acordo com os padrões do Sistema de Carregamento Combinado e Charge de Move, pode fornecer energia de até 400 kW.

Hoje, vamos olhar para as tecnologias de semicondutores que estão conduzindo carregadores mais rápidos, seguros e eficientes:

• Chaves semicondutoras de alta tensão (transistor bipolar de porta isolada [IGBT] e carboneto de silício [SiC]) estão aumentando as tensões de barramento (800 V ou 1.000 V) no sistema. Com o aumento das tensões do sistema, surge a necessidade de tecnologias de isolamento para garantir a segurança e confiabilidade gerais.
• À medida que os conversores de energia tornam-se capazes de comutar frequências mais rápidas (centenas de quilohertz a alguns megahertz), operar nessas altas frequências reduz o tamanho dos componentes magnéticos e outros dispositivos passivos usados ​​no circuito, o que reduz o custo do sistema e melhora em geral densidade de potência. Portanto, há uma necessidade de detecção de corrente e tensão de alta largura de banda para controlar e proteger com precisão os estágios de energia digital.
• Maior eficiência requer o uso de estágios de energia complexos de vários níveis, o que, por sua vez, exige a necessidade de drivers de porta isolados de alta tensão para alternar com eficiência esses estágios de energia e reduzir as perdas gerais de comutação, além de incluir isolamento reforçado e recursos de proteção contra curto-circuito .

Vamos dar uma olhada mais aprofundada nesses facilitadores de tecnologia.

Tecnologias de isolamento

A conformidade com a segurança é crítica em carregadores EV porque eles fazem interface direta com a rede elétrica. O isolamento é necessário para garantir a segurança do operador, para proteger os processadores de danos em sistemas conversores de energia de alta tensão e para evitar loops de aterramento e diferenças de potencial entre diferentes subsistemas de comunicação. Os controladores de energia com uma arquitetura de controle do lado secundário requerem isolamento não apenas no estágio de energia (por meio de um transformador de isolamento), mas também no circuito de acionamento do controlador e circuito de condicionamento de sinal associado.

A interferência de ruído causada pela ação de comutação dos conversores de energia pode afetar negativamente o desempenho do sistema. Por exemplo, quando ocorrem transientes da comutação do conversor de energia, uma alta taxa de variação pode causar tensões transitórias no caminho do sinal e criar um transiente de tensão de modo comum que requer um isolador com alta imunidade transitória de modo comum (CMTI) para manter a integridade do sinal .

O aumento das tensões do link CC em estações de carregamento de EV também mostra a importância do isolamento reforçado para a segurança e confiabilidade do operador. Dependendo da tensão de operação, existem três classes básicas de isolamento:funcional, básico e reforçado. O isolamento funcional, também chamado de isolamento operacional, não protege ou isola contra choque elétrico, mas é necessário para o funcionamento de um produto. O isolamento básico é um nível único de isolamento que fornece proteção básica contra choques. O isolamento reforçado é um sistema de isolamento único que fornece proteção contra choque elétrico equivalente ao isolamento duplo.

Várias tecnologias de isolamento são possíveis para semicondutores:

• O isolamento óptico usa a transferência de luz LED através de uma barreira de isolamento não condutivo transparente. Suas principais vantagens são altos valores de isolamento elétrico e baixo custo. No entanto, o isolamento óptico também tem longos tempos de propagação, baixa imunidade a ruído, maior corrente quiescente e rápida degradação do isolamento com a temperatura e o tempo. Essas limitações restringem a tecnologia de isolamento óptico a conversores de energia de baixa velocidade e sensíveis ao custo.
• O isolamento magnético usa transferência de acoplamento indutivo usando um projeto de bobina de transformador e fornece alto isolamento em altas frequências. Ele fornece melhores tempos de propagação em comparação com a tecnologia óptica, mas tem altos problemas de ruído eletromagnético, baixa imunidade a ruído e degradação do isolamento com temperatura e umidade.
• O isolamento capacitivo usa um campo elétrico variável para transmitir energia por meio da capacitância. A vantagem dessa tecnologia é sua capacidade de operar em altas velocidades e seu pacote relativamente pequeno. Ele tem a mais alta confiabilidade com a melhor estabilidade de isolamento em relação à temperatura, juntamente com alto CMTI e baixas emissões irradiadas.

A Figura 1 mostra o isolamento capacitivo, que a Texas Instruments usa em seus drivers de porta isolados, amplificadores e isoladores digitais.

Figura 1. Isolamento capacitivo

Detecção de corrente e tensão de alta largura de banda

Um aplicativo de carregador EV usa detecção de corrente e tensão para três funções principais:monitoramento, proteção e controle. Em um carregador EV, a conversão de energia da rede geralmente ocorre em dois estágios. O estágio de correção do fator de potência converte a tensão da rede em uma tensão do link CC estável. Em seguida, um estágio DC / DC converte a voltagem DC em uma voltagem adequada para a bateria EV.

A Figura 2 é um diagrama de blocos de uma estação de carregamento EV, com os locais de detecção de corrente marcados como A e os locais de detecção de voltagem marcados como V.

Figura 2. Diagrama de blocos de uma estação de carregamento EV

O uso crescente de seletores de SiC e nitreto de gálio (GaN) no estágio de potência possibilitou frequências aumentadas de operação (centenas de quilohertz a alguns megahertz), oferecendo maior eficiência e maior densidade de potência. Esses estágios de potência requerem detecção precisa de correntes de comutação rápida para operação confiável do circuito de controle para garantir a operação estável do conversor. Tempo de resposta rápido, superaquecimento de operação linear e detecção precisa de corrente e tensão são essenciais para todos os sistemas de alta potência com estágios de alta tensão.

As tecnologias de semicondutores que auxiliam na detecção de corrente podem ser amplamente classificadas em métodos de detecção direta e indireta. Os métodos diretos incluem detecção baseada em resistor de derivação empregando um amplificador isolado ou um modulador sigma-delta isolado. A queda de tensão em um resistor de derivação, que normalmente é de 50 mV ou 250 mV (para manter as perdas de resistência de corrente ao mínimo), forma a entrada para este estágio.

Para um amplificador isolado, uma amplificação em escala de um sinal de baixa tensão é enviada a um controlador externo para fazer medições precisas de corrente em trilhos de alta tensão, mantendo o isolamento elétrico.

Um modulador sigma-delta isolado modula a queda de tensão através do shunt diretamente em um fluxo de bits digital que, quando conectado diretamente com o periférico sigma-delta de um microcontrolador, permite uma largura de banda muito maior. Uma largura de banda de sinal mais alta garante medições de corrente rápidas e precisas e uma representação precisa do sinal de comutação para controlar o estágio de potência do conversor.

A detecção baseada em shunt é preferida porque este método pode alcançar melhor precisão DC em relação à temperatura em comparação com soluções baseadas em efeito Hall com calibração única básica. As soluções baseadas em shunt são muito mais precisas, particularmente em baixas correntes, devido à sua sensibilidade limitada a campos magnéticos externos. As soluções baseadas em shunt são lineares em toda a faixa de tensão, especialmente no cruzamento zero e perto da região de saturação do núcleo magnético. Esta solução também oferece isolamento reforçado de até 5 kV e um fator de forma reduzido em comparação com sensores de efeito Hall.

Os métodos indiretos envolvem detectar o campo magnético em torno do condutor de transporte de corrente. Por exemplo, os sensores de efeito Hall fornecem uma medição indireta do campo magnético gerado em torno de um condutor ao detectar a corrente que flui através dele. Sensores de efeito Hall de loop aberto estão disponíveis com largura de banda de até 1 MHz. Os sensores de malha fechada têm largura de banda de 350 kHz e fornecem melhor desempenho em comparação com os sensores de efeito Hall de malha aberta, mas também custam mais.

Dada a sua largura de banda e tempo de resposta superiores, os sensores de efeito Hall de malha aberta e fechada fornecem melhor proteção para switches SiC sobre soluções de shunt durante condições de curto-circuito, especialmente quando comutados em altas frequências. O curto-circuito resistir ao tempo de chaves SiC é tipicamente 1-3 µs e precisará de detecção rápida para evitar curto-circuitos. A queda de tensão através do shunt em linha resulta em dissipação térmica e perdas de energia quando comparada às soluções baseadas no efeito Hall, especialmente quando as correntes medidas aumentam.

Drivers de porta isolados

Os drivers de porta de alta velocidade são essenciais para construir um módulo de energia que tenha alta eficiência, alta densidade de energia e seja confiável e robusto. Os gate drivers fazem interface entre o modulador de largura de pulso em um controlador e o switch de alta potência. Módulos de potência baseados em SiC / IGBT de alta potência requerem gate drivers com a capacidade de fornecer e absorver correntes de pico em velocidades extremamente altas, minimizando os tempos de transição de ativação e desativação e, assim, minimizando as perdas de comutação. Os motoristas do portão devem:

• Seja flexível para usar o mesmo driver com tensões operacionais amplas e diferentes tipos de interruptores de energia.
• Seja robusto para operar em ambientes barulhentos e condições extremas de temperatura.
• Ter atrasos mínimos de propagação de ativação para permitir a comutação mais rápida de um transistor de efeito de campo (FET), minimizando o tempo de condução do diodo do corpo e, assim, melhorando a eficiência.
• Tenha uma boa correspondência de atraso para garantir a condução de transistores de efeito de campo semicondutores de óxido metálico em paralelo (MOSFETs) com uma diferença mínima de atraso na ativação.

Para aplicações de alta tensão, os drivers de porta isolados reforçados fornecem maior resiliência do sistema contra surtos (CMTI), correntes de fuga causadas por diferenças de potencial e outros eventos anômalos que ameaçam danificar o sistema.

Dependendo do posicionamento do controlador, é provável que seja necessário isolar o controlador e o driver. Um método tradicional de isolamento é usar um transformador separado com um driver de porta não isolado. Um gate driver integrado tem um atraso de propagação semelhante ou melhor do que uma solução de transformador discreto, enquanto ocupa até 50% menos área. Além disso, um driver de porta integrado pode ser adaptado para fornecer CMTI maior que 100 V / ns, um número significativamente maior do que o alcançável pela solução discreta. CMTI é um parâmetro-chave que determina a robustez de um driver de portão.

Os recursos de proteção nos gate-drivers são necessários para a operação confiável do conversor. Por causa dos benefícios de densidade de energia e eficiência aprimoradas, SiC e GaN se tornaram um substituto potencial para IGBTs de silício para várias aplicações. Um SiC MOSFET tem requisitos de proteção contra curto-circuito mais rigorosos; o tempo de resistência a curto-circuito é de 1 a 3 µs em comparação com um IGBT, que é em torno de 10 µs. Um pino DESAT integrado ao gate-driver é essencial para fornecer uma resposta rápida na detecção de curtos-circuitos. O bloqueio de subtensão integrado e uma braçadeira Miller ativa também são vitais na prevenção de falsa ativação em FETs usados ​​em aplicações de meia ponte.

A necessidade de carregadores DC rápidos portáteis com resfriamento por convecção natural (que podem ser facilmente pegos e armazenados na parte de trás de um porta-malas) está empurrando os limites do design de carregadores EV com densidade e eficiência de energia de última geração. Switches baseados em GaN com gate drivers integrados oferecem resistência, comutação rápida e baixa capacitância de saída, auxiliando no design de carregadores EV com até um terço de melhoria na densidade de energia. As arquiteturas ressonantes comumente usadas em carregadores EV também podem se beneficiar da comutação de voltagem zero e corrente zero que mitigam as perdas de comutação e melhoram a eficiência geral do sistema.

Conclusão

Densidade de alta potência, confiabilidade e robustez estão se tornando cada vez mais importantes em conversores de energia usados ​​em estações de carregamento de EV. Com o aumento dos níveis de potência e tensão, é importante proteger os seres humanos e também o equipamento contra condições operacionais perigosas.

Os fabricantes que visam carregadores de alta densidade de potência e eficientes vão adotar conversores de potência baseados em IGBT-, SiC- e GaN com frequências de comutação que vão de centenas de quilohertz para alguns megahertz. Sensores de corrente e tensão de alta frequência serão cruciais para o desenvolvimento nessas plataformas.

A tecnologia de driver de porta inteligente habilitará os níveis de alta tensão necessários, velocidades de comutação rápidas e a necessidade de proteção rápida. Dados os saltos que a tecnologia de semicondutores deu na última década, pode em breve ser possível carregar um EV até sua gama completa durante uma rápida pausa para o café.



Este artigo foi coautor de Harish Ramakrishnan, engenheiro de sistemas da Texas Instruments.

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