Эффективный мониторинг и управление имеют решающее значение для эффективной и надежной работы электрических подсистем. Поставщики полупроводников, такие как Microchip, предлагают широкий спектр аппаратного и программного обеспечения, инструментов для разработки встроенных систем, а также высокоэффективные решения на основе карбида кремния (SiC) для обеспечения инноваций в системах электромобилей и электромобилей с гибридными двигателями.
Разработчики автомобильных подсистем постоянно стремятся создавать инновационные решения, которые увеличивают запас хода электромобилей и сокращают время зарядки. В стремлении к этим целям они довели кремниевые технологии до предела их физических возможностей с точки зрения размера, веса и энергоэффективности и переходят к решениям на основе SiC для решения этих задач. По сравнению с кремнием, устройства на основе SiC обладают более низким сопротивлением соединения, более высокой скоростью переключения и способностью выдерживать более высокие напряжения и токи при более высоких температурах перехода. Еще одним ключевым преимуществом SiC является его меньший размер, что обеспечивает более высокую плотность мощности — критически важный параметр во многих ключевых областях применения электромобилей. Неудивительно, что, по прогнозам Omdia (SiC power semiconductors by application, 2022 Mid Case report), автомобильный рынок силовых полупроводников на основе SiC с широкой запрещенной зоной (WBG) вырастет в тринадцать раз по сравнению с его текущей оценкой в 1 миллиард долларов к 2030 году.
Тенденция к использованию более высоких напряжений, таких как 800 В, в электромобилях стимулирует разработку новых конструкций тяговых инверторов, преобразователей постоянного тока, бортовых зарядных устройств и компрессоров для тепловых насосов и топливных элементов. Высоковольтные SiC MOSFET-транзисторы и высокопроизводительные диоды идеально подходят для электромобилей, особенно в коммерческом и внедорожном применении, где доступность имеет решающее значение.
Существующая зарядная инфраструктура на 400 В для обычных автомобилей также должна будет адаптироваться к новым конструкциям автомобилей на 800 В. Растущая потребность в высоких напряжениях стимулирует разработку бортовых повышающих модулей постоянного тока для преодоления разрывов в напряжении.
Технология SiC также может выступать в качестве переключающего элемента в твердотельном автоматическом выключателе или электронном предохранителе для защиты электрических компонентов автомобиля и диагностики неисправностей до того, как они приведут к серьезным поломкам. Время простоя на ремонт и затраты могут быть сокращены благодаря улучшенным возможностям диагностики и конфигурации по сравнению с механическими решениями.
В то же время существует потребность в быстрой зарядной инфраструктуре постоянного тока для быстрой подзарядки автомобилей. Это особенно важно для коммерческого применения, от грузовиков и автобусов до горнодобывающей и строительной техники, которая должна оставаться в рабочем состоянии как можно дольше.
Твердотельные автоматические выключатели:
Использование SiC для твердотельных автоматических выключателей предлагает ряд преимуществ по сравнению с традиционными решениями для защиты цепей. Технология позволяет быстро переключаться с помощью программно-конфигурируемого профиля срабатывания, например, через интерфейс LIN, для прерывания цепи за микросекунды — в 100–500 раз быстрее, чем традиционные механические методы, благодаря своей высоковольтной твердотельной конструкции.
Электронный предохранитель является многоразовым, что исключает необходимость замены физических предохранителей и обеспечивает надежное долговременное решение в случае частого прерывания цепи. Потенциальные риски электрической дуги при коммутации высоковольтных постоянных токов с помощью механических контактов исключаются при использовании твердотельного решения E-Fuse.
Демонстрационный образец технологии E-Fuse от Microchip с переключателями mSiC™ MOSFET на 700 В и 1200 В объединяет датчик тока, усилители, интерфейс LIN и 8-битный микроконтроллер PIC™ с независимыми от ядра периферийными устройствами, обеспечивая комплексное, высокоинтегрированное решение. Все компоненты доступны с автомобильным рейтингом AEC. Данная конструкция реализует характеристику зависимости тока от времени (TCC), которая помогает разработчикам перейти от традиционных предохранителей или контакторов, и обеспечивает время выдерживания короткого замыкания до 10 мкс при номинальном токе до 30 А.
Быстрая зарядка:
Электромобили, коммерческий транспорт и внедорожники нуждаются в быстрой зарядке. В то время как автомобиль можно оставить на ночь для зарядки, автобусы или строительная техника должны эффективно работать круглосуточно. Эти транспортные средства переходят на аккумуляторные батареи на 800 В или даже 1000 В, чтобы обеспечить уровни мощности, необходимые для более крупных транспортных средств с тяжелыми грузами. Для
таких бортовых зарядных устройств требуются более высокие уровни мощности, где технология SiC предлагает оптимальное решение. Устройства с номинальным напряжением 1200 В и даже 1700 В предоставляют разработчикам большую гибкость проектирования. Это может привести к повышению пиковой производительности транспортного средства, уменьшению избыточности и упрощению производства компонентов.
Более высокая эффективность SiC по сравнению с кремниевыми IGBT также означает, что требуются меньшие радиаторы, что снижает вес транспортного средства.
Доступен технологический демонстратор 30-киловаттного изолированного DC-DC зарядного устройства, основанного на лавинно-устойчивых mSiC MOSFET-транзисторах на 1200 В и двух mSiC-диодах на 1200 В. Конструкция обеспечивает максимальную эффективность более 98%, входное напряжение 650–750 В и выходное напряжение 150–600 В при максимальном токе 50–60 А и частоте переключения 140 кГц. Конструкция печатной платы оптимизирована с точки зрения безопасности, устойчивости к механическим и токовым нагрузкам, а также помехоустойчивости.
Рисунок 2. 30-киловаттный SiC DC-DC преобразователь
Кроме того, доступна эталонная трехфазная схема коррекции коэффициента мощности (PFC) мощностью 30 кВт, выполненная по венской топологии на основе SiC-устройств. PFC обычно необходимы для преобразования переменного тока в постоянный и для поддержания фазового сдвига входного переменного тока в пределах четко определенных значений относительно входного переменного напряжения, обеспечивая коэффициент мощности, близкий к единице, и низкий уровень суммарных гармонических искажений (THD).
В будущем потребуется возвращать энергию обратно в аккумулятор автомобиля. Возможность двунаправленной зарядки может быть продемонстрирована на примере другой схемы PFC на основе SiC мощностью 11 кВт в конфигурации «тотемного столба».
Как преобразование постоянного тока в постоянный, так и PFC могут быть объединены модульным способом.
Рисунок 3. Эталонная конструкция PFC Vienna 30 кВт
Основные компоненты для инфраструктурных зарядных устройств мощностью до 150 кВт:
Карбид кремния также играет ключевую роль в зарядной инфраструктуре. Те же преимущества более высоких напряжений и токов в сочетании с большей эффективностью для меньших по размеру элементов охлаждения приводят к уменьшению размеров зарядных устройств. Хотя размер зарядного устройства не так критичен для коммерческих и внедорожных автомобилей, хранящихся в течение ночи, он имеет решающее значение для все более популярных двунаправленных домашних зарядных устройств постоянного тока.
Аналогично, общественные быстрые зарядные устройства постоянного тока уровня 3 обходят бортовое зарядное устройство автомобиля (OBC) и заряжают батарею напрямую через систему управления батареей (BMS) электромобиля. Обход OBC позволяет значительно увеличить скорость зарядки, при этом выходная мощность зарядного устройства варьируется от 50 до 350 кВт.
Использование модульного подхода к проектированию означает, что для преобразования переменного тока в постоянный используется входной каскад с коррекцией коэффициента мощности (PFC), часто начиная с более высоких напряжений переменного тока, таких как 480 В, с рядом изолированных модулей преобразователя постоянного тока, соединенных параллельно, для подачи питания на автомобиль.
Такой подход к проектированию позволяет разрабатывать широкий спектр зарядных устройств от базовых модулей для удовлетворения разнообразных потребностей оператора транспортного средства. По мере развития требований к транспортным средствам, требующим большей мощности для более быстрой зарядки, зарядная инфраструктура может быть адаптирована с использованием устройств на основе SiC. Этот подход используется для систем быстрой зарядки мощностью до 150 кВт и для систем с еще более высокой производительностью.
Использование цифрового управления питанием и комбинации SiC MOSFET и диодов позволяет создавать конструкции, обеспечивающие высокую эффективность и системную интеграцию, высокую плотность мощности, усовершенствованные цифровые контуры управления и большую гибкость в различных топологиях питания для приложений быстрой зарядки постоянным током. Их можно комбинировать с аналоговыми устройствами, управлением питанием, беспроводной и проводной связью, измерением энергии, памятью, безопасностью и человеко-машинным интерфейсом (HMI) для создания конструкции системы быстрой зарядки постоянным током уровня L3.
Заключение:
Решения на основе широкозонных полупроводников, такие как SiC, имеют фундаментальное значение для электромобильности, обеспечивая более высокий уровень эффективности, плотности и надежности преобразования энергии.
Компания Microchip может помочь разработчикам легко, быстро и уверенно внедрить карбид кремния с помощью своих силовых продуктов и решений mSiC™.
Этот ассортимент включает в себя чиповые, дискретные и модульные SiC-транзисторы с напряжением от 700 В до 3,3 кВ.
Кроме того, глобальный портфель включает микропроцессоры (MPU), микроконтроллеры (MCU), микросхемы Wi-Fi®/Bluetooth® и измерительные чипы, а также графический интерфейс пользователя с сенсорным экраном для приложений в зарядных устройствах. В автомобильной сфере он включает, среди прочего, автомобильные цифровые сигнальные контроллеры, бортовые сетевые компоненты и контроллеры.
Комплексное решение также включает программные пакеты для усовершенствованных алгоритмов управления мощностью в режимах работы двигателя и импульсного управления, а также автомобильные программные стеки и диагностические библиотеки для обеспечения функциональной безопасности.
Автор: Андреас фон Хофен, менеджер по маркетингу подразделения автомобильной продукции компании Microchip Technology
