Activateurs technologiques pour des chargeurs de VE plus rapides, plus sûrs et à haute efficacité

Cet article examine les technologies de semi-conducteurs qui alimentent les chargeurs de véhicules électriques, notamment les commutateurs à semi-conducteurs haute tension, les convertisseurs de puissance et les étages de puissance complexes à plusieurs niveaux.

À mesure que le nombre de véhicules électriques (VE) augmente, il est de plus en plus nécessaire de créer des systèmes d'infrastructure de recharge plus économes en énergie, capables de recharger les véhicules plus rapidement que jamais. Les nouveaux véhicules électriques ont des autonomies plus élevées et des capacités de batterie plus importantes que leurs prédécesseurs, ce qui nécessite le développement de solutions de charge CC rapides pour répondre aux exigences de charge rapide. Il faut environ 30 minutes à une borne de 150 ou 200 kW pour recharger un VE jusqu'à 80 %, soit une puissance suffisante pour parcourir environ 250 km. Une station de charge CC rapide, conforme aux normes Combined Charging System et Charge de Move, peut fournir une puissance allant jusqu'à 400 kW.

Aujourd'hui, nous examinerons les technologies des semi-conducteurs qui permettent d'utiliser des chargeurs plus rapides, plus sûrs et plus efficaces :

• Les commutateurs à semi-conducteurs haute tension (transistor bipolaire à grille isolée [IGBT] et carbure de silicium [SiC]) augmentent les tensions de bus (800 V ou 1 000 V) dans le système. Avec l'augmentation des tensions du système vient l'exigence de technologies d'isolation pour assurer la sécurité et la fiabilité globales.
• Comme les convertisseurs de puissance deviennent capables de fréquences de commutation plus rapides (des centaines de kilohertz à quelques mégahertz), le fonctionnement à ces hautes fréquences réduit la taille des composants magnétiques et autres dispositifs passifs utilisés dans le circuit, ce qui réduit ensuite le coût du système et améliore l'ensemble la densité de puissance. Ainsi, une détection de courant et de tension à large bande passante est nécessaire pour contrôler et protéger avec précision les étages de puissance numériques.
• Une efficacité plus élevée nécessite l'utilisation d'étages de puissance complexes à plusieurs niveaux, ce qui nécessite à son tour le besoin de pilotes de grille isolés haute tension pour commuter efficacement ces étages de puissance et réduire les pertes de commutation globales, tout en incluant également des fonctions d'isolation renforcée et de protection contre les courts-circuits .

Examinons de plus près ces catalyseurs technologiques.

Technologies d'isolement

La conformité en matière de sécurité est essentielle dans les chargeurs EV car ils s'interfacent directement avec le réseau électrique. L'isolement est nécessaire pour assurer la sécurité de l'opérateur, protéger les processeurs contre les dommages dans les systèmes de convertisseurs de puissance haute tension et empêcher les boucles de masse et les différences potentielles entre les différents sous-systèmes de communication. Les contrôleurs de puissance avec une architecture de contrôle côté secondaire nécessitent une isolation non seulement dans l'étage de puissance (via un transformateur d'isolement), mais également dans le circuit de commande du contrôleur et les circuits de conditionnement de signal associés.

Les interférences sonores causées par l'action de commutation des convertisseurs de puissance peuvent affecter négativement les performances du système. Par exemple, lorsque des transitoires dus à la commutation du convertisseur de puissance se produisent, une vitesse de balayage élevée peut provoquer des tensions transitoires sur le chemin du signal et créer un transitoire de tension de mode commun qui nécessite un isolateur avec une immunité transitoire de mode commun élevée (CMTI) pour maintenir l'intégrité du signal .

L'augmentation des tensions de liaison CC dans les bornes de recharge pour VE montre également l'importance d'une isolation renforcée pour la sécurité et la fiabilité de l'opérateur. En fonction de la tension de fonctionnement, il existe trois classes de base d'isolation :fonctionnelle, basique et renforcée. L'isolation fonctionnelle, également appelée isolation opérationnelle, ne protège ni n'isole contre les chocs électriques, mais est nécessaire au fonctionnement d'un produit. L'isolation de base est un niveau d'isolation unique qui offre une protection de base contre les chocs. L'isolation renforcée est un système d'isolation unique qui offre une protection contre les chocs électriques équivalente à une double isolation.

Différentes technologies d'isolation sont possibles pour les semi-conducteurs :

• L'isolation optique utilise un transfert de lumière LED à travers une barrière isolante non conductrice transparente. Ses principaux avantages sont des valeurs d'isolation électrique élevées et un faible coût. Cependant, l'isolation optique a également de longs temps de propagation, une faible immunité au bruit, un courant de repos plus élevé et une dégradation rapide de l'isolation avec la température et l'âge. Ces limitations restreignent la technologie d'isolation optique aux convertisseurs de puissance à faible vitesse et sensibles aux coûts.
• L'isolation magnétique utilise un transfert de couplage inductif à l'aide d'une conception de bobine de transformateur et fournit une isolation élevée à hautes fréquences. Il offre de meilleurs temps de propagation par rapport à la technologie optique, mais présente des problèmes de bruit électromagnétique élevés, une faible immunité au bruit et une dégradation de l'isolation avec la température et l'humidité.
• L'isolation capacitive utilise un champ électrique changeant pour transmettre l'énergie par la capacité. L'avantage de cette technologie est sa capacité à fonctionner à des vitesses élevées et son boîtier relativement petit. Il a la plus haute fiabilité avec la meilleure stabilité d'isolation sur la température, ainsi qu'un CMTI élevé et de faibles émissions rayonnées.

La figure 1 montre l'isolation capacitive, que Texas Instruments utilise dans ses pilotes de grille isolée, ses amplificateurs et ses isolateurs numériques.

Figure 1. Isolement capacitif

Détection de courant et de tension à large bande

Une application de chargeur EV utilise la détection de courant et de tension pour trois fonctions principales :surveillance, protection et contrôle. Dans un chargeur de VE, la conversion de l'énergie du réseau se fait généralement en deux étapes. L'étage de correction du facteur de puissance convertit la tension du réseau en une tension de circuit intermédiaire stable. Ensuite, un étage DC/DC convertit la tension DC en une tension adaptée à la batterie EV.

La figure 2 est un schéma fonctionnel d'une station de recharge pour VE, avec les emplacements de détection de courant marqués A et les emplacements de détection de tension marqués V.

Figure 2. Schéma fonctionnel d'une borne de recharge EV

L'utilisation croissante de commutateurs SiC et nitrure de gallium (GaN) dans l'étage de puissance a permis d'augmenter les fréquences de fonctionnement (des centaines de kilohertz à quelques mégahertz) tout en offrant une efficacité améliorée et une densité de puissance plus élevée. Ces étages de puissance nécessitent une détection précise des courants de commutation rapides pour un fonctionnement fiable de la boucle de contrôle afin d'assurer le fonctionnement stable du convertisseur. Un temps de réponse rapide, une surchauffe de fonctionnement linéaire et une détection précise du courant et de la tension sont essentiels pour tous les systèmes haute puissance avec des étages haute tension.

Les technologies de semi-conducteurs qui facilitent la détection de courant peuvent être largement classées en méthodes de détection directes et indirectes. Les méthodes directes comprennent une détection basée sur une résistance shunt en utilisant soit un amplificateur isolé, soit un modulateur sigma-delta isolé. La chute de tension aux bornes d'une résistance shunt, qui est généralement de 50 mV ou 250 mV (pour minimiser les pertes de résistance de courant), constitue l'entrée de cette étape.

Pour un amplificateur isolé, une amplification mise à l'échelle d'un signal basse tension est envoyée à un contrôleur externe pour effectuer des mesures précises du courant sur des rails haute tension tout en maintenant l'isolation électrique.

Un modulateur sigma-delta isolé module la chute de tension à travers le shunt directement dans un flux binaire numérique qui, lorsqu'il est directement interfacé avec le périphérique sigma-delta d'un microcontrôleur, permet une bande passante beaucoup plus élevée. Une bande passante de signal plus élevée garantit des mesures de courant rapides et précises et une représentation précise du signal de commutation pour contrôler l'étage de puissance du convertisseur.

La détection basée sur le shunt est préférée car cette méthode permet d'obtenir une meilleure précision CC sur la température par rapport aux solutions basées sur l'effet Hall avec un étalonnage unique de base. Les solutions à base de shunt sont beaucoup plus précises, en particulier à faible courant, en raison de leur sensibilité limitée aux champs magnétiques externes. Les solutions à base de shunt sont linéaires sur toute la plage de tension, en particulier au passage par zéro et à proximité de la région de saturation du noyau magnétique. Cette solution offre également une isolation renforcée jusqu'à 5 kV et un facteur de forme réduit par rapport aux capteurs à effet Hall.

Les méthodes indirectes impliquent la détection du champ magnétique autour du conducteur porteur de courant. Par exemple, les capteurs à effet Hall fournissent une mesure indirecte du champ magnétique généré autour d'un conducteur en détectant le courant qui le traverse. Les capteurs à effet Hall en boucle ouverte sont disponibles avec une bande passante allant jusqu'à 1 MHz. Les capteurs en boucle fermée ont une bande passante de 350 kHz et offrent de meilleures performances par rapport aux capteurs à effet Hall en boucle ouverte, mais coûtent également plus cher.

Compte tenu de leur bande passante et de leur temps de réponse supérieurs, les capteurs à effet Hall en boucle ouverte et fermée offrent une meilleure protection des commutateurs SiC par rapport aux solutions de dérivation pendant les conditions de court-circuit, en particulier lorsqu'ils sont commutés à haute fréquence. Le temps de résistance aux courts-circuits des commutateurs SiC est généralement de 1 à 3 µs et nécessitera une détection rapide afin d'éviter les courts-circuits. La chute de tension aux bornes du shunt en ligne entraîne une dissipation thermique et des pertes de puissance par rapport aux solutions à effet Hall, en particulier lorsque les courants mesurés augmentent.

Pilotes de portail isolés

Les pilotes de grille à grande vitesse sont essentiels à la construction d'un module d'alimentation à haut rendement, à haute densité de puissance, fiable et robuste. Les pilotes de grille s'interfacent entre le modulateur de largeur d'impulsion d'un contrôleur et le commutateur haute puissance. Les modules d'alimentation à base de SiC/IGBT haute puissance nécessitent des pilotes de grille capables de générer et d'absorber des courants de crête à des vitesses extrêmement élevées, minimisant les temps de transition d'activation et de désactivation et minimisant ainsi les pertes de commutation. Les pilotes de portail doivent :

• Soyez flexible pour utiliser le même pilote avec des tensions de fonctionnement étendues et différents types d'interrupteurs d'alimentation.
• Soyez robuste pour fonctionner dans des environnements bruyants et des conditions de température extrêmes.
• Avoir des délais de propagation d'activation minimum pour permettre une commutation plus rapide d'un transistor à effet de champ (FET), minimisant le temps de conduction de la diode du corps et améliorant ainsi l'efficacité.
• Avoir une bonne correspondance de délai pour assurer le pilotage de transistors à effet de champ à semi-conducteur à oxyde métallique (MOSFET) en parallèle avec une différence de délai d'activation minimale.

Pour les applications haute tension, les pilotes de grille isolés renforcés offrent une résilience accrue du système contre les surtensions (CMTI), les courants de fuite causés par les différences de potentiel et d'autres événements anormaux qui menacent d'endommager le système.

Selon l'emplacement du contrôleur, une isolation est probablement requise entre le contrôleur et le pilote. Une méthode traditionnelle d'isolement consiste à utiliser un transformateur séparé avec un pilote de grille non isolé. Un pilote de grille intégré a un délai de propagation similaire ou supérieur à celui d'une solution de transformateur discret tout en occupant jusqu'à 50 % de surface en moins. De plus, un pilote de grille intégré peut être adapté pour fournir un CMTI supérieur à 100 V/ns, un nombre nettement supérieur à celui pouvant être atteint par la solution discrète. CMTI est un paramètre clé qui détermine la robustesse d'un pilote de porte.

Des fonctions de protection dans les pilotes de grille sont nécessaires pour le fonctionnement fiable du convertisseur. En raison des avantages d'une densité de puissance et d'une efficacité améliorées, le SiC et le GaN sont devenus un substitut potentiel aux IGBT au silicium pour diverses applications. Un MOSFET SiC a des exigences de protection contre les courts-circuits plus strictes ; le temps de tenue aux courts-circuits est de 1 à 3 µs par rapport à un IGBT, qui est de l'ordre de 10 µs. Une broche DESAT intégrée au pilote de grille est essentielle pour fournir une réponse rapide dans la détection des courts-circuits. Le verrouillage de sous-tension intégré et une pince Miller active sont également essentiels pour éviter les fausses activations dans les FET utilisés dans les applications en demi-pont.

Le besoin de chargeurs rapides CC portables avec refroidissement par convection naturelle (qui peuvent être facilement ramassés et stockés à l'arrière d'un coffre de VE) repousse les limites de la conception de chargeurs de VE avec une densité de puissance et une efficacité de pointe. Les commutateurs à base de GaN avec pilotes de grille intégrés offrent une résistance à l'état passant, une commutation rapide et une faible capacité de sortie, facilitant la conception des chargeurs EV avec une amélioration jusqu'à un tiers de la densité de puissance. Les architectures résonantes couramment utilisées dans les chargeurs de véhicules électriques devraient également bénéficier d'une commutation à tension nulle et à courant nul qui atténue les pertes de commutation et améliore l'efficacité globale du système.

Conclusion

La densité de puissance élevée, la fiabilité et la robustesse deviennent de plus en plus importantes dans les convertisseurs de puissance utilisés dans les stations de recharge de véhicules électriques. Avec l'augmentation des niveaux de puissance et de tension, il est important de protéger les humains ainsi que l'équipement contre les conditions de fonctionnement dangereuses.

Les fabricants qui ciblent des chargeurs à haute densité de puissance et efficaces adopteront des convertisseurs de puissance à base d'IGBT, de SiC et de GaN avec des fréquences de commutation allant de centaines de kilohertz à quelques mégahertz. Les capteurs de courant et de tension haute fréquence seront essentiels au développement de ces plates-formes.

La technologie de commande de grille intelligente permettra les niveaux de tension élevés nécessaires, des vitesses de commutation rapides et le besoin d'une protection rapide. Compte tenu des progrès réalisés par la technologie des semi-conducteurs au cours de la dernière décennie, il sera peut-être bientôt possible de recharger un VE sur toute sa gamme lors d'une courte pause-café.

Cet article a été co-écrit par Harish Ramakrishnan, ingénieur système chez Texas Instruments.

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