Развитие устройств быстрой зарядки для электромобилей

Сильный импульс к электрификации трансформирует автомобильную промышленность. Экстраполированные тенденции предсказывают, что к 2028 году более 50% всех продаж новых автомобилей будут приходиться на гибридные или полностью питающиеся от аккумуляторов электромобили (EV). В этой статье мы резюмируем презентацию Прамода Патила, старший менеджер продуктовой линии Power Solutions Group во время виртуальной выставки PowerUp на Onsemi в декабре 2023 года.

Полупроводники с широким диапазоном частот (WBG) в электромобилях

Многие факторы привели к увеличению использования полупроводников в автомобилях с начала этого тысячелетия. Мониторинг безопасности, такой как электронный контроль устойчивости, является одним из первых приложений. Затем последовало более широкое взаимодействие со смартфонами и Интернетом в сфере развлечений и навигации. За последнее десятилетие функции помощи водителю (ADAS) и электрификация трансмиссии резко увеличили общее количество чипов в автомобилях. Именно в этих приложениях полупроводники WBG играют все более важную роль. Например, силовые устройства на основе нитрида галлия (GaN) используются для управления лазерами в системах LIDAR, используемых в полу- и полностью автономных функциях вождения во многих новых автомобилях, тогда как силовые устройства на основе карбида кремния (SiC) используются в тяговых инверторах. Некоторые из преимуществ силовых устройств WBG по сравнению с устаревшими устройствами на основе кремния (Si):

·         Внутренние преимущества материала, включая гораздо более высокую напряженность поля электрического пробоя, позволяют гораздо более эффективно масштабировать устройство до более высоких напряжений и уровней мощности. Потери проводимости при данном напряжении, следовательно, намного ниже.

·         Устройства меньшего размера приводят к меньшим потерям переключения, поскольку паразитные емкости намного меньше.

·         Более высокие частоты переключения, обеспечиваемые вышеуказанным, могут привести к экономии на уровне системы за счет использования магнитных элементов меньшего размера.

·         Системы охлаждения также можно сделать меньше, поскольку более низкие потери мощности соответствуют меньшему выделению тепла. Устройства SiC, в частности, также имеют более низкое термическое сопротивление, а также большую стабильность и надежность при высоких температурах, наблюдаемых в моторном отсеке.

·         Устройства WBG, такие как бесмостовой тотемный столб и активные входные схемы с Т-нейтральной точкой фиксации (NPC), обеспечивают более простые топологии. Более дешевые и менее сложные двухуровневые преобразователи легче реализовать при относительно более высоком уровне эффективности.  

С точки зрения клиента, перечисленные выше улучшения приводят к увеличению запаса хода или к уменьшению и удешевлению аккумулятора в компактных городских автомобилях. Оценки показывают чистую экономию при использовании SiC для батарей >50 кВтч.

Электромобили и тенденции зарядки

Гибридные (HEV) и подключаемые гибридные (PHEV) электромобили обычно имеют тяговую мощность менее 100 кВт. В тяговых инверторах в этой категории в настоящее время преобладают Si IGBT, хотя использование SiC растет. В более мощных электромобилях, грузовиках и внедорожниках мощностью 100–220 кВт все чаще используется SiC. Тенденция направлена ​​на увеличение доли электромобилей в диапазоне >100 кВт.

Распространенной проблемой, которую многие клиенты называют причиной отказа от перехода на электромобили, является отсутствие полностью развитой инфраструктуры зарядки и медленный процесс зарядки с помощью существующих зарядных устройств. Зарядка переменного тока уровня 1 и уровня 2 обычно используется для зарядки автомобильных аккумуляторов через бортовое зарядное устройство (OBC). Уровень переменного тока 1 использует напряжение 120 В, <2 кВт, и для зарядки небольшого электромобиля может потребоваться почти целый день. Для переменного тока уровня 2 используется напряжение 240 В, а время зарядки может варьироваться от часа до нескольких часов в зависимости от используемого уровня мощности. OBC обычно имеют ступень AC/DC коррекции коэффициента мощности (PFC), за которой следуют ступени DC/DC. Текущие стандарты выходной мощности в OBC составляют 7,2 кВт и 11 кВт, при этом ожидается, что в будущем будет увеличено использование 22 кВт. Силовые устройства на основе GaN, рассчитанные на напряжение 650 В, могут предложить множество преимуществ по сравнению с Si и SiC в приложениях OBC.

Настенные коробки постоянного тока мощностью 7–25 кВт обеспечивают более быструю зарядку, минуя блок OBC. Развитием этого подхода является стандарт быстрой зарядки постоянного тока уровня 3, который рассматривается как способ значительно ускорить зарядку электромобилей. Мощность варьируется от 50 до 350 кВт на зарядных станциях и до 1 МВт для коммерческих грузовиков. Время зарядки типичного легкового электромобиля (двигатель мощностью 100 кВт и аккумулятор емкостью 50–100 кВтч) можно сократить до минут. Ключевой частью этого решения является использование аккумуляторов на 800 В, которые, следовательно, требуют более высокого напряжения приводной электроники. Устройства SiC с номинальным напряжением 1200 В и выше считаются ключевыми для этого приложения.

Некоторые важные тенденции, наблюдаемые в быстро развивающейся области приложений для быстрой зарядки постоянным током:

·         Модульный подход, когда модули мощностью от 25 до 50 кВт соединяются друг с другом для достижения более высокой мощности.

·         КПД более 98% при использовании устройств SiC

·         Широкий диапазон напряжения

·         Двунаправленность: это тенденция как для OBC, так и для устройств быстрой зарядки постоянного тока, которая позволяет транспортному средству доставлять электроэнергию обратно в дом или в сеть. Двойной активный мост (DAB) — одна из топологий преобразователя постоянного тока, хорошо подходящая для этой цели.

Разбивка прогноза рынка зарядных устройств постоянного тока для электромобилей по уровням мощности показана на рисунке 1. К 2027 году ожидается сильный совокупный годовой темп роста (CAGR) в размере 41%, при этом лидируют зарядные устройства мощностью более 100 кВт.

Тенденция развития зарядных устройств для электромобилей

Модули EliteSiC для быстрой зарядки постоянным током от Onsemi

Несколько лет исследований и разработок позволили Onsemi постоянно совершенствовать линейку силовых устройств и модулей SiC , продаваемых под названием EliteSiC. К ним относятся диоды Schottky и МОП-транзисторы с номинальным напряжением обратного напряжения в диапазоне от 650 В до 1700 В. МОП-транзисторы развивались от устройств M1 до новейших устройств M3S и M3E на 1200 В, с увеличением удельного сопротивления примерно на 25% с каждым технологическим циклом. В них используется проверенная и надежная технология планарного затвора с прочным оксидом затвора. Стабильное поведение устройства было продемонстрировано при пороговом напряжении всего 50 мВ после 1e11 циклов переключения затвора (от -3 В до 18 В) при 25°C и частоте отказов ниже 1 ppm при максимальном рабочем напряжении затвора 18 В.

Интегрированные модули питания (PIM) с этими устройствами предлагаются в различных конфигурациях, включая двухкомпонентные, четырехблочные, шестиблочные и NPC t-типа. Кристалл МОП-транзистора M3S поколения 3, используемый в каждом модуле, изготовлен из одной и той же пластины, что обеспечивает более последовательное параллельное поведение. Модули PIM EliteSiC, предназначенные для быстрой зарядки электромобилей, рассчитаны на напряжение 1200 В и поставляются в стандартных корпусах F1 и F2 с возможностью предварительно нанесенного термоинтерфейсного материала (TIM). Диапазон предлагаемых схемных конфигураций и номиналов R Dson обеспечивает гибкость модулей PIM для удовлетворения конкретных системных требований с масштабируемой выходной мощностью от 25 кВт до 100 кВт.

На рисунке 2 показано сравнение потерь для каскада PFC мощностью 25 кВт, преобразующего 480 В переменного тока в 800 В постоянного тока при переключении на частоте 70 кГц. Модули PIM на базе M3S с сопротивлением 8 и 10 Ом R Dson сравнивались с модулями конкурентов с аналогичным рейтингом. Температура используемого радиатора составляет 80˚C, сопротивление затвора Rg = 3,6 Ом. Как видно, PIM на основе M3S выгодно отличаются по общим потерям в этих устройствах.