Развитие автомобильной промышленности очень динамично и касается всех аспектов дизайна: кузова, привода, информационно-развлекательных систем, связи и помощи водителю. В случае с электромобилями самой важной темой, конечно же, является время, необходимое для зарядки авто. Это ключевой фактор, позволяющий совершать длительные поездки, поэтому конструкция бортового зарядного устройства (OBC) является самым важным вопросом.
Чтобы сделать зарядное устройство OBC как можно более компактным и эффективным, используют полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной (WBG), такие как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN). По сравнению с кремниевыми они позволяют использовать новые топологии преобразования, позволяющие работать на более высоких частотах и использовать сложные схемы модуляции, которые ранее было невозможно или было слишком сложно реализовать. Новые корпуса транзисторов и оптимизированная тепловая конструкция открывают новые горизонты в области миниатюризации, удельной мощности и эффективности.
Сейчас мы изучим современные тенденции проектирования зарядных устройств OBC, сопоставим параметры для отдельных полупроводниковых технологий и взглянем на новые корпуса SMD-транзисторов.
Тенденции в области зарядных устройств OBC
Бортовое зарядное представляет собой устройство, питающееся от электросети, задачей которого является подача значительного постоянного тока на тяговую батарею. Питание от сети означает, что это оборудование используется, когда автомобиль припаркован. ЗУ должно охлаждаться во время работы и увеличивает массу автомобиля. Следовательно, размер и вес OBC должны быть минимизированы, чтобы уменьшить влияние этих параметров на запас хода, а также объем, занимаемый под капотом.
Будущие требования гласят, что зарядное устройство OBC должно быть двунаправленным, чтобы оно могло взаимодействовать с интеллектуальной сетью и чтобы автомобиль мог быть источником аварийного питания в случае стихийных бедствий.
Эти аспекты тесно связаны и взаимозависимы при определении пяти ключевых задач для разработчиков зарядных устройств OBC:
- Номинальная выходная мощность постоянно увеличивается, чтобы время зарядки было как можно короче. Современные подключаемые гибридные и электромобили (BEV) имеют OBC мощностью от 3,6 до 7,2 кВт. В следующих поколениях это значение переместится в диапазон от 7,2 до 11 кВт, а в случае автомобилей класса люкс даже до 22 кВт.
- Увеличение удельной мощности является значительным, поскольку оно уменьшает размер и вес, способствуя увеличению дальности полета. Повышение эффективности не только снижает выделение тепла в зарядных устройствах OBC, но также позволяет подавать больше энергии из ограниченного сетевого источника для зарядки тяговой батареи, тем самым сокращая время зарядки.
- Повышение эффективности тесно связано с первыми двумя тенденциями. Невозможно достичь более высокой выходной мощности при более высокой плотности мощности без преобразователей с более высоким КПД.
- Требование двунаправленной работы является еще одной серьезной проблемой для разработчиков OBC. Поскольку электромобили становятся все более популярными, большинство пользователей заряжают их вечером после ежедневной поездки на работу.
- Поставщики электроэнергии должны обеспечить удовлетворение этого спроса, и это будет легче сделать, если некоторые из них можно будет вернуть в сеть или использовать для электроснабжения отдельного дома в часы пик, чтобы снизить пиковый спрос. Чтобы это было возможно, зарядное устройство должно иметь возможность передавать энергию от тяговой батареи обратно в сеть, а не просто заряжать электромобиль.
Увеличивается номинальное напряжение тяговой батареи. Стандартными являются блоки на 400 В, но через 5+ лет напряжение питания станет 800 В. Причина – снижение потерь в кабелях.
Выбранная топология преобразования имеет важное значение для достижения этих целей, особенно когда речь идет о выборе коммутационных элементов.
FoM и различия между Si, SiC и GaN
Первым шагом при выборе переключающего элемента является сравнение параметра FoM (показатель качества, являющийся произведением сопротивления RDS(ON) и заряда затвора QG) каждой полупроводниковой технологии (рис. 2).
Чем ниже значение FoM и чем меньше изменяется температурный коэффициент RDS(ON), тем лучше положение этой технологии в рассматриваемом приложении. Но правильный выбор технологии заключается не в выборе одного FoM, а в их комбинации.
Термически улучшенный корпус
Помимо полупроводникового материала, ключевую роль в достижении обсуждаемых целей играет улучшение тепловых характеристик силовых компонентов.
В современных версиях SMD тепловое соединение проходит от конструкции через контактные площадки элементов к печатной плате и далее к радиатору. При сильном нагреве силовые компоненты можно установить на металлическую подложку (IMS), которая термически значительно превосходит стандартный текстолит FR4. Правда охлаждение нижней стороны (BSC) кажется несколько нелогичным в отношении того, как следует передавать тепло.
По этой причине разработали инновационный корпус для транзисторов и интегральных микросхем с естественным переносом тепла вверх, то есть с верхним охлаждением (TSC). Для нижнего охлаждения холодный радиатор обычно прикрепляется к нижней части платы PCB/IMS. Это исключает размещение компонентов на этой стороне, что влияет на получаемую удельную мощность. Причем в этом случае элементы термически соединены с печатной платой, а значит, они не могут сильно нагреваться из-за допустимого значения температуры для текстолита FR4. Значение Tg (температура стекла) для FR4 ниже рабочей температуры многих транзисторов WBG.
Холодный элемент, приклеенный к верхней части силовых компонентов, решает многие проблемы упаковки, позволяет размещать компоненты с обеих сторон платы и не ограничивает диапазон рабочих температур. В случае силового каскада, выполненного на подложке IMS, драйвер и драйвер вынесены на отдельную плату, следовательно, расстояние между транзистором и драйвером сравнительно велико, что неизбежно увеличивает значения паразитного реактивного сопротивления и, как следствие, уровень колебаний. Корпус TSC позволяет разместить все компоненты устройства на одной двусторонней плате. Таким образом, драйвер можно разместить непосредственно под соответствующим транзистором, исключив паразитные эффекты. Это повышает качество управления и надежность работы, поскольку колебания при коммутации становятся меньшими.
Существует множество способов термического соединения корпусов транзисторов с радиатором. Как правило, самый простой подход — разместить одну теплопроводящую прокладку, заполняющую зазоры между МОП-транзисторами и охлаждающей поверхностью (заполнитель зазоров). При толщине около 0,5 мм это обеспечивает наилучшие тепловые характеристики при условии, что все пустоты заполнены таким материалом.
При высоком напряжении заполнитель зазора не может выполнить достаточную электрическую изоляцию между транзисторами и радиатором. В этом случае необходимо добавить дополнительную теплопроводящую изолирующую прокладку толщиной примерно 0,1 мм, чтобы обеспечить достаточный уровень электроизоляции при сохранении теплопроводности.
Корпуса Infineon QDPAK (PG-HDSOP-22-1) являются примером специально разработанных решений TSC. Соединение источника обеспечивает точность управления даже при полной нагрузке. Симметричное расположение контактов обеспечивает механическую стабильность печатной платы, а также простоту сборки и тестирования.
Топологии двунаправленного преобразования
Начнем с одной из наиболее часто используемых двунаправленных конфигураций для однофазной мощности 3,6 кВт с PFC. Преобразователь HV/HV DC-DC может быть реализован в топологии CLLC или DAB. Выбор зависит от желаемого пика и общей производительности.
Что касается полупроводников, рекомендации для каждой топологии показаны на рисунке. Стоит отметить, что если зарядное устройство OBC в режиме разряда (V2X) работает как источник напряжения с коэффициентом мощности (PF) 1, то Q5 ветви Q6 могут работать с кремниевыми транзисторами суперперехода (SJ).
Согласно рисунку, полное отключение Q5 и полное включение Q6 обеспечивает преобразование энергии между транспортными средствами (V2V), V2L-DC и V2DC-микросеть. В этом случае внешний преобразователь действует как понижающий преобразователь с чередованием сигналов. После разделения схемы двунаправленное преобразование AC-DC и DCDC может быть достигнуто с высокой эффективностью и без дополнительных затрат.
Топология на рисунке выше также может быть основой для источника питания, питающегося от трехфазной сети, где к каждой фазе подключены одинаковые блоки и подключены вторичные стороны преобразователей HV/HV DCDC. Такой подход позволяет построить зарядное устройство мощностью 11 кВт (3 х 3,6 кВт) или 22 кВт (3 х 7,2 кВт).
Еще один подход к трехфазной сети показан на рисунке ниже. В этой конфигурации возможны два случая:
В зависимости от типа сети переменного тока и, следовательно, напряжения на шине постоянного тока на выходе PFC преобразователи HV/HV DCDC могут включаться последовательно (для трехфазной сети) или параллельно (для однофазной сети). Это делается для того, чтобы коэффициент трансформации оставался неизменным.
В зависимости от плотности мощности, управления температурным режимом и эффективности OBC, преобразователи DC/DC напряжения HV/HV могут быть подключены последовательно или параллельно на первичной стороне.
В зависимости от выходного напряжения (аккумулятора) необходимо выбрать соответствующий класс напряжения, который составляет 650 В для транзисторов GaN HEMT/750 SiC MOSFET или 1200 В SiC MOSFET. Таким образом, выбор целевого КПД, удельной мощности и управляемости, определяет топологию и технологию силовых компонентов.
Для более простой схемы с минимальным количеством компонентов высоковольтный преобразователь постоянного тока в постоянный может представлять собой одиночный преобразователь на 1200-вольтном SiC.
