Componenti ad alta tensione per i caricabatterie di bordo dei veicoli elettrici (EV)

Componenti ad alta tensione per i caricabatterie di bordo dei veicoli elettrici (EV)

Astratto

I caricabatterie di bordo erogano sempre più potenza in uno spazio sempre più ridotto, anno dopo anno, e il peso maggiore ricade sui componenti passivi. Questo articolo illustra la disposizione di condensatori, diodi e resistori ad alta tensione in un tipico caricabatterie di bordo, spiega le esigenze delle velocità di commutazione del SiC e mostra come i componenti ad alta tensione si integrano negli stadi PFC e DC/DC.

1. Contesto applicativo: il caricabatterie di bordo

Il caricabatterie di bordo è un sottosistema critico in ogni veicolo elettrico a batteria e ibrido plug-in. Converte la corrente alternata monofase o trifase proveniente dalla rete nella tensione continua richiesta dal pacco batterie ad alta tensione, tipicamente 400 V o 800 V. I moderni caricabatterie di bordo raggiungono densità di potenza superiori a 4 kW/L ed efficienze superiori al 95%, rese possibili da semiconduttori a banda proibita ampia, MOSFET in SiC e HEMT in GaN, con frequenze di commutazione da 50 kHz a 500 kHz. Questo funzionamento ad alta frequenza riduce le dimensioni dei componenti magnetici, ma impone requisiti stringenti ai componenti passivi: i condensatori devono gestire correnti di ripple più elevate, i diodi devono recuperare più velocemente e le resistenze devono dissipare più potenza in uno spazio ridotto.

L'architettura di un caricabatterie di bordo (OBC) è tipicamente composta da un filtro EMI all'ingresso CA, uno stadio di correzione del fattore di potenza che modella la corrente in ingresso, un convertitore CC/CC isolato ad alta frequenza con un trasformatore per l'isolamento galvanico e un filtro di uscita che fornisce corrente continua pulita alla batteria. Ogni stadio contiene componenti passivi ad alta tensione la cui selezione influisce direttamente sulle dimensioni del caricabatterie, sull'efficienza, sulle prestazioni termiche e sulla conformità EMC. Con il passaggio del settore ad architetture di batterie a 800 V e alla ricarica bidirezionale, i requisiti dei componenti diventano ancora più stringenti.

2. Requisiti tecnici

2.1 Capacità di ondulazione del collegamento CC. Il condensatore del bus deve assorbire l'ondulazione di commutazione senza surriscaldarsi:

2.2 dv/dt della commutazione SiC. Il circuito di smorzamento deve attenuare i fronti da 10 a 50 V/ns:

2.3 Recupero inverso. Migliori diodo raddrizzatore deve passare rapidamente senza perdite:

2.4 Qualifica nel settore automobilistico. Ogni componente deve resistere per tutta la durata di vita del veicolo:

Figura 1 — Diagramma a blocchi dell'OBC con l'indicazione della posizione dei componenti passivi ad alta tensione in ciascuno stadio.

3. Punti critici riscontrati dagli ingegneri (feedback dal campo)

4. Confronto dei componenti: approcci DC-link

5. Selezione e soluzione HVC

6. Caso di studio di ingegneria

Un produttore di caricabatterie di bordo (OBC) che stava sviluppando un caricabatterie bidirezionale da 11 kW ha riscontrato due problemi durante la validazione: il condensatore del collegamento in corrente continua (DC-link) ha raggiunto i 112 °C a pieno carico e la sovratensione di drain in SiC ha superato il valore nominale del dispositivo durante lo spegnimento. Entrambi i problemi erano riconducibili alla rete passiva. Il condensatore a film del DC-link da solo sopportava l'intera ondulazione e la posizione dello snubber era troppo induttiva. La riprogettazione ha aggiunto condensatori ceramici HVC a bassa ESR in parallelo con il condensatore a film per l'ondulazione ad alta frequenza e ha sostituito lo snubber con un condensatore ceramico HVC a bassa ESL posizionato direttamente sui pin dell'interruttore. La temperatura del DC-link è scesa a 88 °C, la sovratensione è diminuita al di sotto del 10% della tensione del bus e le emissioni condotte hanno superato la norma CISPR 25 con un margine. Il test bidirezionale è stato quindi eseguito in entrambe le direzioni senza ricalibrare il filtro, poiché lo snubber e la rete del DC-link erano simmetrici per progettazione.

7. Considerazioni sulla progettazione

Innanzitutto, trattare il collegamento CC come un ibrido: film per l'energia di massa e ceramica per il disaccoppiamento ad alta frequenza, perché nessun singolo condensatore offre sia una bassa ESR che un'elevata densità di capacità. In secondo luogo, inserire la dissipazione di potenza del componente nel modello termico; un contenitore OBC è sigillato e ogni watt di perdita deve essere condotto, non convettivo. In terzo luogo, ridurre la potenza nominale dei condensatori ceramici al di sopra di una temperatura ambiente di 85 °C e verificare il condensatore a film durata in funzione della corrente di ripple effettiva, non del valore indicato nel datasheet. Quarto, posizionare il circuito di smorzamento il più vicino possibile al dispositivo di commutazione, perché un'induttanza della traccia di 10 nH vanifica le prestazioni di un buon condensatore a 50 V/ns. Quinto, utilizzare condensatori di ingresso con specifiche X/Y conformi alla norma IEC 60384-14 e dimensionare la capacità Y in base al limite di corrente di dispersione previsto dallo standard per i caricabatterie per veicoli.

Sesto, qualificare tutto secondo AEC-Q200: cicli di temperatura da -40 °C a +150 °C, umidità relativa a 85 °C e 85% di umidità relativa e vibrazioni secondo ISO 16750-3. Settimo, pianificare fin da subito la ricarica bidirezionale, perché il V2G richiede componenti progettati per il flusso di potenza in entrambe le direzioni e un rilevamento aggiuntivo per il percorso inverso. Ottavo, con il passaggio del settore da bus a 400 V a bus a 800 V, riqualificare ogni componente del bus CC alla tensione più elevata con un margine di 1.5 volte, perché un componente che ha superato i test a 400 V potrebbe guastarsi silenziosamente a 800 V. Nono, misurare l'ESR alla frequenza di commutazione e alla temperatura effettive, perché il valore del datasheet a 1 kHz sottostima la perdita a 100 kHz di un fattore pari o superiore a due. L'OBC è l'interfaccia tra la rete e la batteria e i suoi componenti passivi determinano se il caricabatterie eroga la potenza nominale per tutta la durata di vita del veicolo.

8. Riferimenti

• IEC 60384-14:2013, Condensatori fissi per l'uso in apparecchiature elettroniche — Parte 14: Specifiche di sezione per condensatori di soppressione EMI.
• AEC-Q200, Qualificazione delle prove di stress per componenti passivi, Automotive Electronics Council.
• RW Erickson e D. Maksimovic, Fondamenti di elettronica di potenza, 3a ed., Springer, 2020.
• 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
• Scheda tecnica del condensatore a disco ceramico ad alta tensione HVC, condensatore HVC, 2024.
• Scheda tecnica del condensatore ad alta tensione HVC con terminali a vite, condensatore HVC, 2024.