Бортовые зарядные устройства (БЗУ) электромобилей решают жизненно важную проблему в эксплуатации этих электромобилей. Они преобразуют мощность сети переменного тока в мощность постоянного тока, совместимую с аккумулятором, что позволяет заряжать электромобили. С каждым годом на рынок выходит все больше проектов, архитектур и размеров электромобилей, а реализация БЗУ становится все более сложной.
Кроме того, поскольку в отрасли наблюдается тенденция к использованию более высоких напряжений аккумуляторов для более быстрой зарядки, а двунаправленная зарядка становится все более распространенной, разработчики систем сталкиваются с важными решениями относительно топологий и материалов, которые будут использоваться в их предложениях БЗУ. В этом материале представлен обзор БЗУ и сравнивается выбор материалов для их изготовления.
Спрос на зарядную мощность превышает доступность устройств быстрой зарядки постоянного тока, что создает рыночную привлекательность для БЗУ. Бортовые зарядные устройства состоят из нескольких основных компонентов, показанных на следующем рисунке.
Электроэнергия переменного тока из электрической сети проходит через фильтр электромагнитных помех (ЭМП), чтобы уменьшить «шум» от внешних источников и предотвратить излучение шума обратно в сеть БЗУ. Отсюда мощность поступает на первый из двух основных каскадов БЗУ, который известен как цепь коррекции коэффициента мощности (ККМ). Цепь ККМ преобразует сетевое питание переменного тока в постоянный, значительно уменьшая фазовые искажения формы входного напряжения и тока. На этом этапе достигается коэффициент мощности более 0,9, чтобы минимизировать подачу реактивной мощности в сеть. Затем ток поступает в изолированный преобразователь постоянного тока, чтобы согласовать выходное напряжение и ток с состоянием заряда батареи, обеспечивая гальваническую развязку между входом и выходом.
БЗУ могут использовать множество топологий ККМ, в зависимости от количества входных фаз переменного тока и выходной мощности сети, подаваемой на БЗУ. Однофазный вход переменного тока обычно использует традиционную конфигурацию повышения или тотемного поля. Для двунаправленных проектов PFC будет использовать схему тотемного поля. Инженеры могут настроить тотемный ККМ для одно- или трехфазной работы, который может работать в одном или двух направлениях.
Традиционный повышающий ККМ прост в реализации, обеспечивает низкий уровень электромагнитных помех и масштабируемую мощность за счет чередования фаз. Использование диодов снижает сложность, но снижает эффективность. Традиционный ККМ лучше всего подходит для однофазного входа переменного тока БЗУ и является однонаправленным. Идеальными вариантами устройств для этой топологии являются полевой МОП-транзистор с суперпереходом (SJ), биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) и диод из карбида кремния (SiC).
Бесмостовая повышающая коррекция коэффициента мощности также подходит для однофазного БЗУ и не несет потерь в мосте, как традиционное повышающее. Однако диод неактивного полевого МОП-транзистора снижает эффективность коррекции мощности, ограничивая ее практичность для БЗУ.
Поскольку традиционная повышающая коррекция коэффициента мощности является экономически выгодной, но менее эффективной, бесмостовая коррекция коэффициента мощности с тотемным полюсом обеспечивает высочайшую эффективность среди коммерческих вариантов, но с более высокой стоимостью. Наибольшая эффективность достигается у устройств с широкой запрещенной зоной (ШЗЗ) на быстрых ветвях, особенно в режиме непрерывной проводимости (НП) и режиме треугольной проводимости (ТП). Он поддерживает двунаправленный поток энергии, но его сложно реализовать. Выбор устройств для бесмостового ККМ включает SiC MOSFET (карбид кремниевый МОП-транзистор) и IGBT для НП и Si MOSFET для режимов ТП.
Переменные требования к мощности с новыми системами зарядки электромобилей дают инженерам возможность использовать варианты полупроводниковых устройств для повышения эффективности или стоимости своей системы. Ниже приведен обзор выбора устройств ККМ для бортовых зарядных устройств.
Карбид-кремниевые полевые транзисторы (SiC MOSFET). SiC MOSFET подходят для всех уровней мощности и топологий и идеально подходят для высокоэффективных БЗУ в высокопроизводительных электромобилях. Эти и другие приложения, требующие высоких частот переключения с низкими потерями, могут обеспечить быструю зарядку с лучшим управлением температурой. SiC MOSFET рекомендуются для использования в ККМ, первичной стороне DC/DC и вторичном выпрямлении (двунаправленном) в аккумуляторных системах на 800 В из-за их более высокого КПД и удельной мощности по сравнению с IGBT или кремниевыми (Si) SJ MOSFET.
IGBT. IGBT также подходят для большинства топологий ККМ 400 В и каскадов постоянного тока, хотя более высокие потери при 11 кВт и 22 кВт снижают их производительность по сравнению с SiC. IGBT хорошо подходят для экономичных приложений в электромобилях среднего класса и для приложений с низкой частотой коммутации, в которых экономическая эффективность является более высоким приоритетом.
Кремниевые SJ MOSFET. Эти устройства применимы к более узкому варианту использования: повышающее и бесмостовое усиление ниже уровня мощности 7,2 кВт. Добавление венского дизайна для уровней мощности 11 кВт и 22 кВт может повысить производительность в этих приложениях. SiC SJ MOSFET подходят для использования в аккумуляторных системах на 400 В для PFC и каскада DC-DC. Как правило, двумя лучшими вариантами являются SiC MOSFET и IGBT для обеспечения производительности и гибкости проектирования системы.
SiC MOSFET обеспечивают более высокую эффективность при высоких напряжениях и частотах, что делает их идеальными для приложений, требующих высокой эффективности и компактной конструкции из-за меньших потерь мощности. Кроме того, эти устройства обеспечивают превосходную производительность, которая позволит использовать электромобили с напряжением 800 В в требовательных приложениях, требующих высокой мощности и высокой эффективности. Однако IGBT открыл новые возможности для приложений, в которых экономическая эффективность более важна, чем максимизация эффективности. Этот сценарий также обеспечивает экономическую выгоду для производителей систем, поскольку IGBT обеспечивает достаточную производительность вторичной стороны для электромобилей с напряжением 400 В.
В итоге БЗУ преобразуют напряжение сети переменного тока в напряжение постоянного тока, подходящее для зарядки аккумуляторов, что составляет большую часть зарядки электромобилей. Выбор подходящих устройств и топологий для БЗУ имеет решающее значение для оптимизации производительности и эффективности зарядки электромобилей. Различные топологии и устройства имеют свои компромиссы, поэтому проектировщики должны выбрать лучшую реализацию приложения. SiC MOSFET необходимы для высокоэффективных высоковольтных приложений, тогда как IGBT предлагают экономичную альтернативу для систем с низким напряжением. Понимая компромиссы и варианты использования различных компонентов, инженеры могут принимать обоснованные решения, которые повышают общую производительность их решений для зарядки электромобилей.
© digitrode.ru