Implementando Carregadores Rápidos DC com SiC MOSFETs

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Governos de todo o mundo estão incentivando proprietários de veículos particulares e comerciais a terem alternativas ambientalmente mais limpas, como veículos elétricos (VE). No entanto, um dos maiores obstáculos para essa mudança são as preocupações com o alcance do veículo. A maioria dos EVs de baixo a médio alcance pode completar várias viagens antes que seja necessário recarregar. Mas, se você estiver planejando uma viagem mais longa, o carregamento de Veículo Elétrico em seu caminho ainda requer mais tempo do que reabastecer um veículo com motor de combustão.

A indústria está trabalhando duro para melhorar os tempos de carregamento desenvolvendo soluções rápidas de carregamento DC que são comparáveis ​​ao reabastecimento de um veículo com motor de combustão. Ao contrário do carregador de bordo do Veículo Elétrico (OBC) que usa AC doméstico, os carregadores DC rápidos contornam o OBC para fornecer energia diretamente ao circuito de carregamento da bateria do EV. E, ao contrário do AC, esses carregadores podem carregar um EV a 80% em apenas 10 minutos.

Carregadores rápidos DC para Veículos Elétricos

Os carregadores rápidos DC atuais fornecem entre 50kW e 35 kW, operando em até 800V. Os carregadores de maior potência são normalmente instalados em estações de serviço rodoviário. Se o seu Veículo Elétrico pode consumir muita energia, isso depende de seu design e baterias. A maioria dos Veículos Elétricos de hoje está limitada a níveis de carga abaixo de 300kW.

Existem muitos desafios de engenharia para uma aplicação de alta potência e tensão. Eles variam de segurança e confiabilidade a facilidade de manutenção, eficiência, tamanho e custo – tanto operacional quanto de aquisição. Até o momento, a abordagem de projeto baseou-se em IGBTs e MOSFETs de silício. No entanto, graças à introdução de semicondutores de banda larga, como carbeto de silício de fornecedores como Wolfspeed, os MOSFETs SiC estão rapidamente se tornando a escolha preferida dos pontos de alimentação de veículos elétricos.

A mudança para utilização de MOSFETs SiC em carregadores de Veículos Elétricos

O núcleo de um carregador DC rápido pode ser dividido em dois blocos principais (Figura 1):

  • O estágio AC/DC, convertendo AC de entrada em uma tensão de link DC
  • Um conversor DC/DC que fornece tensão DC às baterias do Veículo Elétrico.

Além disso, também existem mecanismos de pagamento, interface homem-máquina e elementos de conectividade. A seção de fornecimento de energia desses carregadores é construída com vários módulos, com cada módulo contribuindo tipicamente entre 15kW e 50kW para a potência total.

Figura 1: Diagrama de blocos simplificado dos conversores de energia para um carregador rápido DC para Veículo Elétrico. (Fonte: Wolfspeed)

A maior eficiência e densidade de potência possíveis são os principais objetivos do projeto, permitindo que os engenheiros forneçam módulos menores e mais leves com menos desafios de dissipação de calor.

Front-end ativo com MOSFETs Wolfspeed SiC

Para o estágio AC/DC, o Active Front End (AFE) é uma topologia comum implementada usando seis IGBTs de silício com uma frequência de comutação de 20kHz. Esperava-se que um estágio AFE de 22kW desse tipo alcançasse uma eficiência de pico respeitável de 97,2%. No entanto, a densidade de potência fica em torno de 3,5 kW/L, com elementos de design térmico responsáveis ​​por 20% do custo do sistema.

É por isso que os projetistas e engenheiros estão migrando para designs baseados em SiC. Em comparação com alternativas à base de silício, o RDS(ON) de SiC MOSFETs aumenta menos com o aumento da temperatura. Com um RDS(ON) menor do que o silício na temperatura de operação da apicação, a dissipação de calor é menor. Dispositivos como os Wolfspeed 1200V CCB021M12FM3 em WolfPACK™ Power Modules, com MOSFETs SiC de 21mΩ, são uma excelente opção para uma topologia AFE.

Esses MOSFETs SiC também operam em velocidades de comutação mais altas de até 45kHz, permitindo que um choke menor seja usado em comparação com um AFE baseado em IGBT. Além disso, graças à redução resultante no calor dissipado, os custos de dissipação de calor são apenas 10% do custo total do sistema.

Um projeto de referência AFE de 25kW, adequado para aplicações de carregador rápido DC, CRD25AD12N-FMC, também está disponível (Figura 2). Graças ao uso de módulos de configuração trifásica WolfPACK, este design bidirecional atinge uma eficiência máxima de 98,5 por cento e densidades de potência > 4,6 kW/L.

Figura 2: Um AFE CA/CC bidirecional de 25kW com módulos de alimentação WolfPACK™ adequados para projetos de carregadores rápidos DC. (Fonte: Wolfspeed)

Do MOSFET de Silício ao SiC no Estágio DC/DC do Carregador Rápido DC

O SiC também está substituindo o silício no estágio DC/DC. Comutadores baseados em silício operando em torno de 100kHz em conversores LLC ressonantes DC/DC podem atingir eficiências de pico de 97,5% e densidades de potência de 3,5kW/L. No entanto, os requisitos de energia normalmente exigem um design intercalado, o que aumenta a quantidade e a complexidade dos componentes.

Ao mudar para um design SiC MOSFET com dispositivos discretos, como o Wolfspeed C3M0032120K as velocidades de comutação podem ser aumentadas para até 250kHz. Esses MOSFETs SiC de quatro pinos TO-247-4 também oferecem um pino Kelvin. Em topologias hard-switched, alta corrente e altas frequências, isso ajuda a reduzir as perdas de crosstalk e comutação. O resultado é que essas perdas podem ser até quatro vezes menores quando comparadas ao uso de dispositivos SiC de três derivações. Um projeto de referência CLLC ressonante, CRD-22DD12N, usa apenas oito MOSFETs SiC discretos em um projeto para um conversor DC/DC bidirecional de 22kW (Figura 3). Como parte de um design de carregador de Veículo Elétrico rápido, ele pode atingir eficiências máximas além de 98,5% em densidades de energia de 8kW/L.

Figura 3: Este design de referência DC-DC bidirecional aproveita o desempenho dos MOSFETs SiC discretos C3M0032120K da Wolfspeed. (Fonte: Wolfspeed)

SiC para aplicações de carregador DC rápido

À medida que a base de usuários de Veículos Elétricos cresce na próxima década, também aumentará a demanda por velocidades de “reabastecimento” mais rápidas. Dispositivos semicondutores de banda larga, como Wolfspeed SiC MOSFETs, são a solução, oferecendo menores perdas, dissipando menos calor e permitindo densidades de energia mais altas do que projetos equivalentes baseados na tecnologia de dispositivos de energia de silício.

Artigo escrito por Stuart Cording e publicado no blog da Mouser Electronics: Implementing Fast DC Chargers with SiC MOSFETs

Traduzido por Equipe Embarcados.Visite a página da Mouser Electronics no Embarcados

(*) este post foi patrocinado pela Mouser Electronics

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