Utvikling av SiC-baserte elbilladere

Etter hvert som forbrenningsmotorens epoke som kjøretøyets primære kraftkilde ebber ut, er det den elektriske motoren bilindustrien favoriserer som alternativet. På sin side ser bilprodusentene til halvlederindustrien for elektronikkinnovasjonene som trengs for å levere denne elektrifiserte fremtiden. Batteridrevne elektriske kjøretøy (BEV) er for tiden den foretrukne tilnærmingen, og alle er ute etter å lede an i kunnskap som er nødvendig for å gjøre dem så attraktive som mulig. Selv om mange blir overbegeistret for dingsene og funksjonene inne i bilen, er rekkevidde og lading fortsatt hovedproblemene for forbrukerne.

Wide Bandgap

Wide bandgap (WBG)-teknologier, som silisiumkarbid (SiC), drar nytte av denne endringen av kraftkilde i bilindustrien og gir betydelige fordeler i forhold til tradisjonelle kraftkomponenter, som IGBTer, som vi tidligere har kunnet stole på. Produsentene av passive komponenter jobber også intensivt. Innovasjon innen induktanser bidrar til å sikre fordelene med WBG som en raskere svitsjetopologi for å levere større rekkevidde og raskere, mer pålitelig ladeteknologi.

Enormt marked

Alt dette støttes av konkret etterspørsel. Inntekter fra elektriske kjøretøy (EV) forventes å nå over 620 milliarder dollar i 2024 og vokse med 10 % per år[1], noe som vil lede til mer enn 13 millioner BEVer på veiene våre ved slutten av tiåret. Med nye generasjoner av SiC MOSFETer som slippes og jevnlig utrulling av forbedrede passive komponenter, vil de fleste ingeniører lure på hvordan de effektivt og rasjonelt kan evaluere fordelene de tilbyr.

Likheter i kraftomformerblokker for EV

Et fokusområde er EV-lading. Både BEVer og plug-in-hybrider (PHEV) har en innebygd lader (OBC) som for øyeblikket støtter effektområder fra 3,6 kW og opp til 22 kW. Disse kan forsynes med AC gjennom en dedikert veggboks eller ladestasjon hjemme, i veikanten eller på parkeringsplassen. For kjøretøy som er parkert hjemme eller på jobb, er det en ideell metode for å fylle på mens kjøretøyet står i ro. Når det gjelder lengre reiser, leveres hurtiglading underveis av DC-ladere. De leverer 40 – 300 kW eller enda mer, og omgår OBCen for å levere 80 % lading på rundt 20 til 60 minutter.

I begge tilfeller er grunnstrukturen til laderen den samme. AC mates inn i en effektfaktorkorreksjonsenhet (PFC) etterfulgt av en DC/DC-omformer som forsyner kjøretøyets ladekrets (Figur 1).

Toveis

Energieffektivitet er avgjørende for å minimere varmespredning og spare energi, mens tilgjengelig plass og vektmål for design legger press på kravene til effekttetthet. Videre blir elbiler sett på som en potensiell strømkilde for å balansere ut forstyrrelser i elektriske nett (bil til nett, V2G) eller til og med gi strøm til hjemmene i nødstilfeller (bil til hjem, V2H). Dette betyr at ladere trenger toveis topologier, noe som fører oss mot PFCer i totempælstil, og dual-active bridge (DAB) og LLC DC/DC-omformere. Alle disse topologiene bruker et broben, og når man ser på en motoromformer til en EV, vises dette elektroniske elementet der også.

Modulær tilnærming til å utforske SiC-baserte design

Ingen av de nevnte topologiene er enkle å designe, med høye spenninger og strømmer i spill under testing. Imidlertid åpner de gjentatte kretselementene innenfor disse topologiene for å bruke modularitet som et middel for raskt å evaluere forskjellige tilnærminger. For eksempel kan inngangsinduktansene, enkelt-broben og utgangskondensatoren isoleres i kretsen til en PFC. Inngangs- og utgangsspenning og strømmåling, sammen med styring av SiC MOSFETene, kan deretter tilordnes til et fjerde element som utfører systemkontroll. For dette formålet er en mikrokontroller dedikert til digitale strømomformerapplikasjoner ideell  (Figur 3).

Referansedesign

Dette er tilnærmingen som brukes til å utvikle det modulære EV Charger Reference Design Concept (Figur 4). Den deler designet opp i syv kretskort. I kjernen er svitsjekortene med fire SiC MOSFETer i et tre-nivå nøytralt punktklampet (NPC) design. Dette støtter deling av termisk belastning og spenningsspenninger over bryterne og reduserer volt-sekund-rippel på induktansene. To SiC Schottky-barrieredioder (SBD), fire portdrivere og en kompleks programmerbar logikkenhet (CPLD) for å generere presis svitsjing og de nødvendige fire kontrollsignalene avrunder designet.

SiC MOSFETene inkluderer en integrert innebygd Schottky Barrier Diode (SBD) med en fremspenning på bare 1,35V. Denne integrerte SBDen er nøkkelen til å begrense motstandsendringer i løpet av driftslevetiden. RDS(ON) × Qgd (gate-drain charge) er også 80 % lavere enn andregenerasjons SiC-enheter, mens det bredere VGSS-området på -10V til +25V forenkler gatedriver kretsdesign.

Svitsjing

Som i enhver kraftomformer, kreves optimal kontroll av svitsjene gjennom applikasjonens levetid. Dette er implementert ved hjelp av en optisk isolert TLP5214-portdriver som leverer en ±4,0A-utgang for rask svitsjing, som deretter pares med Toshibas tredjegenerasjons SiC MOSFETer. Driveren har også en integrert aktiv Miller-klamp for å unngå parasittisk dV/dt-utløst påslagning.

Utnytte funksjoner for et Compact Cube PFC-design

For å oppnå et kompakt kubedesign på de effektnivåene som kreves, implementeres interkonnekteringer i høystrømsbanene ved hjelp av kobberskinner og de mekaniske metallavstandsstykkene som holder kortene sammen. Dette fører til en økning i de parasittiske induktansene til implementeringen, begrenser svitsjehastighetene som kan brukes, men holder kretskort-teknologien enkel.

Induktans- og kondensatorkortene (Figur 5) har begge de samme strøm- og spenningsmålekretsene. Strøm måles ved hjelp av Hall-sensorer, mens spenning måles differensielt ved bruk av en TLP7820 isolert operasjonsforsterker. På inngangssiden bruker disse en sigma-delta analog-til-digital (ADC)-omformer for å drive en LED. Det resulterende optiske signalet mates inn i en forsterker som konverteres gjennom en 1-bits digital-til-analog-omformer (DAC) og lavpassfilter.

Denne tilnærmingen gir høy forsterkningsnøyaktighet (±0,5%), liten forsterkningsavdrift (0,00012V/°C) og lav ikke-linearitet (0,02% for VIN = ±200mV). TLP7820 er UL/cUL-godkjent og VDE/CQC-godkjent.

Styrekort

For håndtering av brobenet, kondensatoren og induktorkortene er det et styrekort utstyrt med en TXZ+ Arm® Cortex®-M4F mikrokontroller. Det som gjør den spesielt egnet for digital strømstyring er dens avanserte pulsbreddemodulasjonsmoduler (PWM) som inkluderer en trefaset komplementær utgang med dødtidskontroll. Videre kan den synkroniseres i maskinvare med analoge målinger utført av 12-bits on-chip ADCer. Tre operasjonsforsterkere med valgbar forsterkning er også tilgjengelige. Mikrokontrolleren har også en Vector Engine-blokk som kan avlaste og akselerere komplekse beregninger som sin og cos, men også Clarke og Park-transformasjoner, noe som også er fordelaktig for PFC- og motoromformerapplikasjoner.

Høy effekttetthet med gjenbruksmuligheter

Ved å utnytte den nyeste SiC MOSFET-teknologien, har dette kompakte kubiske PFC-designet som mål å levere 22kW med en effektfaktor på 0,99 og en effektivitet på opptil 99 %. Målene er 140 × 140 × 210 mm, som gir en effekttetthet på 3kW/dm3. Takket være sin modularitet kan broben SiC MOSFET-, kondensator-, induktor- og mikrokontrollerkort enkelt utprøves i andre kraftomformerapplikasjoner. For utviklingsteam som er ferske innen WBG-teknologi, muliggjør det også utforskning av robustheten, lavere RDS(ON) over driftstemperatur og høyere svitsjefrekvensegenskaper for SiC MOSFETer, som fortsatt, for mange, er en ny teknologi.