Szybkie ładowanie pojazdów elektrycznych prądem stałym: typowe topologie systemu i urządzenia zasilające

Szybkie ładowanie DC (DC Fast Charging, DCFC) odgrywa kluczową rolę w usuwaniu barier szerokiej adopcji pojazdów elektrycznych. Konieczność krótszego czasu ładowania spowodowała, że ​​na rynek wkraczają pojazdy elektryczne o większej mocy, które zbliżają się do 400 kW. Artykuł zawiera przegląd typowych topologii przekształtników mocy i urządzeń zasilających dla AC-DC i DC-DC używanych w DCFC.

Rysunek 1. Schemat architektury szybkiej ładowarki DC EV

Trójfazowe topologie PFC (korekcji współczynnika mocy) z prostowaniem aktywnym

Systemy trójfazowej korekcji współczynnika mocy (Power Factor Correction, PFC) (zwane również systemami Active Rectification lub Active Front-End) cieszą się dużym zainteresowaniem, odnotowując gwałtowny wzrost popytu w ostatnich latach i stanowiąc niezbędny element wydajnego zasilania DCFC. Włączenie półprzewodników mocy opartych na technologii węglika krzemu (SiC) do topologii PFC może rozwiązać problem zmniejszenia strat mocy przy jednoczesnym zwiększeniu jej gęstości.

Moduł PFC może być zaimplementowany w wielu topologiach, z których kilka może spełniać te same wymagania elektryczne. Rysunek 2 ilustruje typowe architektury PFC w aplikacjach DCFC. Jednym z pierwszych rozróżnień, jakie należy wśród nich dokonać, jest dwukierunkowość. Topologie T-Type Neutral Point Clamp (T-NPC) i I-Type Neutral Point Clamp (I-NPC) nadają się do pracy dwukierunkowej poprzez zastąpienie niektórych diod t[PO1] ranzystorami. Z kolei architektura 6-przełącznikowa jest z natury dwukierunkowa.

Rysunek 2. Typowe topologie PFC Boost dla DCFC. T-NPC (górny lewy), 6-przełącznikowa (górny prawy) i I-NPC (dół)

Dodatkowym ważnym czynnikiem, który będzie miał wpływ na projekt i napięcie znamionowe urządzeń zasilających, jest liczba poziomów architektury. Topologia 6-przełącznikowa jest architekturą 2-poziomową, zwykle opartą na tranzystorach 900V lub 1200V i stosowaną w szybkich ładowarkach EV prądu stałego. Preferowanym rozwiązaniem są tutaj moduły SiC MOSFET o niskim współczynniku RDSon (6-40 mΩ), szczególnie dla wyższych zakresów mocy, powyżej 15 kW na blok.

Takie konstrukcje wykazują lepszą wydajność zasilania niż rozwiązania oparte na komponentach dyskretnych, upraszczając jednocześnie projekt, zmniejszając ogólny rozmiar systemu i zwiększając niezawodność. T-NPC jest topologią trójpoziomową, która wykorzystuje diody 1200V (zastąpione tranzystorami w systemach dwukierunkowych), z tranzystorami 650V w układzie back-to-back na ścieżce neutralnej. Również I-NPC jest architekturą 3-poziomową i może być oparta na tranzystorach 650V. Doskonałą alternatywę dla topologii 3-poziomowych stanowią Mosfety SiC lub tranzystory IGBT 650V z wbudowaną diodą co-pack.

Topologie DC-DC

W przypadku przetwornic DC-DC, stosuje się trzy główne topologie izolowane: pełnomostkowy przetwornik rezonansowy LLC (konwerter LLC), pełnomostkowy przetwornik z przesunięciem fazowym, z podwójnym aktywnym mostkiem  (Dual Active Bridge, DAB) i przełączaniem przy zerowym napięciu (Zero Voltage Transition, ZVT) (konwerter DAB-ZVT) oraz pełnomostkowy konwerter z przesunięciem fazowym i ZVT (konwerter ZVT) (Rysunki 4, 5 i 6).

Konwerter LLC

Konwerter LLC umożliwia przełączanie przy zerowym napięciu (Zero Voltage Switching, ZVS) po stronie pierwotnej, a także - przy częstotliwości rezonansowej i niższej - przełączanie przy zerowym prądzie (Zero Current Switching, ZCS) po stronie wtórnej, co skutkuje bardzo wysoką sprawnością szczytową w okolicach częstotliwości rezonansowej. Jako system z czystą modulacją częstotliwości (FM), sprawność przetwornicy LLC spada, gdy punkt pracy systemu odbiega od częstotliwości rezonansowej, co może mieć miejsce, gdy wymagana jest praca z szerokim napięciem wyjściowym. Jednak zaawansowane techniki modulacji hybrydowej umożliwiają generowanie sygnałów prostokątnych z modulacją szerokości impulsu (Pulse with Modulation, PWM) w połączeniu z FM, ograniczając skrajne, niestabilne częstotliwości i wysokie straty. Z drugiej jednak strony, te hybrydowe konstrukcje zwiększają złożoność i tak już czasami skomplikowanych algorytmów sterowania konwerterem LLC. Co więcej, współdzielenie prądu i synchronizacja równoległych konwerterów LLC nie jest łatwym zadaniem. W przypadkach, kiedy dopuszczalna jest praca w stosunkowo wąskich zakresach napięcia i/lub dostępne są umiejętności programistyczne pozwalają na wdrożenie zaawansowanej, łączącej FM i PWM strategii sterowania, koncepcja oparcia projektu o konwerter LLC staje się atrakcyjna opcją. Nie tylko może ona zapewnić najwyższą sprawność, ale może być bardzo wszechstronnym rozwiązaniem pod każdym względem. Konwerter LLC może być również zaimplementowany w formacie dwukierunkowym, jako konwerter rezonansowy CLLC, co stanowi kolejną wyrafinowaną topologię.

Rysunek 4. Konwerter Full-Bridge LLC

Konwerter DAB-ZVT

Konwertery DAB-ZVT w topologiach z prostownikiem synchronicznem po stronie wtórnej również stanowią bardzo popularną konstrukcję. Działają one z PWM i generalnie wymagają prostszego sterowania niż konwertery LLC. DAB można uznać za rozwinięcie konwencjonalnego pełnomostkowego przetwornika ZVT z przesunięciem fazowym, ale z cewką indukcyjną upływu po stronie pierwotnej, upraszczającą skomplikowane prostowanie i zmniejszającą napięcie na tranzystorach lub diodach po stronie wtórnej. Dzięki ZVT konwertery DAB-ZVT mogą zapewnić stabilną, wysoką sprawność w szerokim zakresie napięcia wyjściowego, co stanowi ważne udogodnienie w konstrukcji ładowarek obsługujących akumulatory 800V i 400V.

Zastosowanie PWM w topologiach DAB niesie ze sobą dwie korzyści. Po pierwsze,  pomaga uzyskać węższe widmo zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) niż w systemach FM. Po drugie, przy stałej częstotliwości przełączania, zachowanie systemu przy niskich obciążeniach jest łatwiej sterowalne. W połączeniu z prostowaniem synchronicznym, DAB jest natywnie topologią dwukierunkową i jest jednym z najbardziej wszechstronnych rozwiązań dla DCFC.

Rysunek 5. Pełnomostkowe konwertery DAB-ZVT z przesunięciem fazowym

Konwerter ZVT

W przypadku pracy jednokierunkowej, konwencjonalny, pełnomostkowy konwerter ZVT z przesunięciem fazowym (Rysunek 6) wciąż pozostaje rozpowszechnioną opcją, jednak popularność tej topologii zmniejsza się. Topologia ta działa podobnie do DAB, tutaj jednak cewka indukcyjna po stronie wtórnej wprowadza znaczną różnicę w przebiegu procesu prostowania. Cewka  ta indukuje wysokie napięcia wsteczne na diodach, które będą odwrotnie proporcjonalne do współczynnika wypełnienia impulsu PWM (duty cycle). W zależności od warunków pracy, napięcia te mogą osiągać wartości ponad dwu- i trzykrotnie większe niż napięcie wyjściowe. Taka sytuacja może być problematyczna w układach o wysokim napięciu wyjściowym, takich jak ładowarki EV. Rozwiązaniem jest zastosowanie wielu uzwojeń wtórnych (o niższym napięciu wyjściowym) zazwyczaj połączonych szeregowo. Taka konfiguracja jednak nie jest zbyt korzystna, zwłaszcza w porównaniu do innych topologii z jednym uzwojeniem dla danej mocy i napięcia, zapewniających taką samą lub lepszą wydajność.

Moduły SiC stanowią łatwe, zestandaryzowane rozwiązanie w procesie konstruowania opisanych układów konwersji mocy DC-DC, począwszy od 15 kW. Praca na wyższych częstotliwości pomaga zmniejszyć rozmiary transformatora i cewki indukcyjnej, a tym samym zmniejszyć cały układ.

Rysunek 6. Pełnomostkowe konwertery ZVT z przesunięciem fazowym

Warianty topologii

Istnieje wiele wariantów omawianych topologii, przynoszących dodatkowe korzyści czy kompromisy. Rysunek 7 przedstawia popularną alternatywę, w postaci układu kaskady łączącej dwa stopnie pełnego konwertera mostkowego LLC używanego do DCFC. W układzie tym napięcia występujące na tranzystorach są o ponad dwa razy mniejsze, dlatego zastosowano tranzystory na  600V i 650V. Mosfety 650V SiC, tranzystory MOSFET 650 V SuperFET3 Fast Recovery (FR) oraz tranzystory IGBT 650 V FS4 pomogą spełnić różne wymagania systemowe. Podobnie diody i prostowniki po stronie pierwotnej wymagają napięcia 650V. Te 3-poziomowe architektury umożliwiają przełączanie jednobiegunowe, co zmniejsza prąd szczytowy i tętnienia prądu i w konsekwencji pozwala zastosować mniejszy transformator. Jedną z głównych wad tej topologii jest dodatkowy poziom złożoności wymagany przez algorytm sterowania w porównaniu z wersją 2-poziomową, z mniejszą liczbą przełączników mocy. DAB można łatwo podłączyć równolegle lub łączyć w kaskodę zarówno po stronie pierwotnej, jak i wtórnej, aby jak najlepiej dopasować się do wymagań prądowych i napięciowych szybkiej ładowarki DC EV.

Rysunek 7. Przetwornica 3-poziomowa pełnomostkowa LLC  w układzie kaskody po stronie pierwotnej (tylko połowa napięcia wejściowego jest przyłożona do każdego transformatora) i połączona równolegle po stronie wtórnej.

Prostowanie po stronie wtórnej

Jeśli chodzi o etap prostowania po stronie , możliwych jest wiele rozwiązań (Rysunek 8) a wszystkie one mogą być używane w różnych topologiach. W przypadku akumulatorów 400V i 800V oraz prostownika z pełnym mostkiem, diody Schottky'ego 650V i 1200V zazwyczaj zapewniają korzystny stosunek wydajności do kosztu. Ze względu na ich zerową charakterystykę prądu wstecznego układy te znacznie zwiększają wydajność i sprawność prostowniczą w porównaniu z alternatywami opartymi na krzemie, drastycznie zmniejszając straty i złożoność etapu  prostowania. Diody na bazie krzemu, takie jak HyperFast, UltraFast i Stealth mogą służyć jako alternatywa jedynie w projektach, w których koszt jest największym ograniczeniem i odbywa się to kosztem wydajności i złożoności. Rozwiązania prostowników z odczepem (Rysunek 6) nie są odpowiednie w przypadku wysokonapięciowych stopni prostowania na wyjściu. W przeciwieństwie do prostowników z pełnym mostkiem, gdzie diody poddane są napięciu wstecznemu równemu napięciu wyjściowemu, w konfiguracjach z odczepem, diody muszą wytrzymać dwa razy większą wartość. Zwykłe przetworniki z przesunięciem fazowym i pełnym mostkiem (cewka indukcyjna po stronie wtórnej) wymagają diod o wyższym napięciu przebicia w obu metodach prostowania (prostowanie z pełnym mostkiem lub z odczepem). W przetwornikach takich, aby wyeliminować zapotrzebowanie na diody o napięciu znamionowym 1200V lub 1700V, konieczne byłoby szeregowe połączenie kilku wyjść.

Autor: Didier Balocco, ‘DC Fast EV Charging: Common System Topologies and Power Devices’

Pomoc w tłumaczeniu artykułu: Piotr Okunowski, Grzegorz Kamiński

Artykuł opublikowano dzięki uprzejmości firmy onsemi