Projektowanie z użyciem technologii węglika krzemu w dwukierunkowych ładowarkach pokładowych
W dwukierunkowym OBC rozwiązanie oparte na SiC jest lepsze od rozwiązania opartego na Si we wszystkich istotnych aspektach: kosztu, rozmiaru, wagi, gęstości mocy i wydajności.
Ładowarki pokładowe (on-board chargers, OBC) pojazdów elektrycznych (EV) mogą przybierać różne formy w zależności od poziomu mocy i funkcji. Moce ładowania wahają się od poniżej 2 kW w zastosowaniach takich jak skutery elektryczne do 22 kW pojazdach elektrycznych z wyższej półki. Tradycyjnie, moc ładowania była była wykorzystywana jednokierunkowo, jednak w ostatnich latach na popularności zyskuje ładowanie dwukierunkowe. W artykule skupimy się na dwukierunkowych OBC i omówimy zalety węglika krzemu (SiC) zarówno w OBC średniej (6,6 kW) jak i dużej mocy (11-22 kW).
Dlaczego dwukierunkowe OBC?
Świat motoryzacyjny zmierza w kierunku zastąpienia benzyny czystszymi alternatywami paliw a segment transportu pojazdów elektrycznych przeżywa szybki wzrost, czego wyrazem jest między innymi zwiększanie się pojemności zainstalowanego akumulatora w pojeździe. Ponadto, konsumenci oczekują krótszych czasów ładowania akumulatorów o większej pojemności, czego efektem jest przejście napięcia roboczego akumulatorów z 400V do 800V.
Pojazd elektryczny wyposażony w akumulator o wystarczającej pojemności może potencjalnie działać jako system magazynowania energii, umożliwiając ładowanie różnych urządzeń z pojazdu (vehicle-to-everything): przekazywanie energii między pojazdami, między pojazdami a siecią lub ładowanie urządzeń domowych. W rezultacie OBC migruje z topologii jednokierunkowej do dwukierunkowej.
Rysunek 1: Dwukierunkowy OBC umożliwia nowe funkcjonalności vehicle-to-everything © Wolfspeed
Dwukierunkowe bloki systemu OBC
Konstrukcja OBC pojazdu elektrycznego wymaga wysokiej gęstości mocy i maksymalnej wydajności, tak aby maksymalnie wykorzystać dostępną przestrzeń pojazdu elektrycznego i zminimalizować jego wagę. Dwukierunkowy OBC składa się z dwukierunkowego konwertera AC/DC, najczęściej także z obwodu korekcji współczynnika mocy (power-factor–correction, PFC) lub obwodu aktywnego front-endu (active front end, AFE), po którym następuje izolowany dwukierunkowy konwerter DC/DC. Przyjrzyjmy się tym blokom osobno.
Blok PFC/AFE
Na wejściu, najszerzej stosowaną topologią do użytku jednofazowego jest konwencjonalny konwerter podwyższający napięcie PFC, ale nie obsługuje on pracy dwukierunkowej i jest stosunkowo nieefektywny. PFC typu totem-pole poprawia wydajność, eliminując etap mostka prostowniczego i zmniejszając tym samym liczbę elementów półprzewodnikowych na ścieżce przewodzenia z trzech do dwóch.
Rysunek 2: Zmiana z topologii boost (a) na totem-pole PFC (b) poprawia wydajność i pozwala na pracę dwukierunkową. © Wolfspeed
Totem-pole PFC zawiera dwie sekcje (tzw. legs), które działają na różnych częstotliwościach. Szybka odnoga (na rynku w kolorze fioletowym) zwiększa napięcie i kondycjonuje prąd - ta odnoga musi przełączać się z wysoką częstotliwością. Odnoga wolnoobrotowa przede wszystkim prostuje napięcie wejściowe i może przełączać się przy częstotliwości linii 50/60 Hz.
W niektórych regionach Europy, dla zakładów użyteczności publicznej, dostępne jest zasilanie trójfazowe. Można wówczas zastosować trójfazową, 6-przełącznikową topologię PFC/AFE, jak pokazano na rysunku 3.
Rysunek 3. Dwukierunkowa trójfazowa topologia 6-przełącznikowa PFC. © Wolfspeed
Istnieją inne typy trójfazowego PFC, takie jak PFC typu T, który jest konwerterem 3-poziomowym. Korzyści z 3-poziomowego konwertera to mniejsze straty przełączania i mniejszy rozmiar cewki indukcyjnej. Jednak tym korzyściom towarzyszy też zwiększona złożoność systemu, większa liczba zliczeń, wyższe koszty całkowite i większy rozmiar konwertera. Tak więc, podstawowy dwupoziomowy trójfazowy konwerter PFC pokazany na rysunku 3 jest najczęściej stosowaną topologią dla trójfazowego dwukierunkowego OBC.
Blok konwertera DC/DC
Przetwornica DC/DC w jednokierunkowym OBC jest zwykle przekształtnikiem rezonansowym typu LLC, ale jest to rozwiązanie dostosowane do pracy jednokierunkowej. W odwróconym trybie pracy wzmocnienie napięciowe przekształtnika jest ograniczone, co zmniejsza jego wydajność. Preferowanym rozwiązaniem dla etapu DC/DC jest zatem dwukierunkowy przetwornik rezonansowy CLLC (Rysunek 4), ponieważ łączy on wysoką sprawność z szerokim zakresem napięcia wyjściowego, zarówno w trybie ładowania, jak i rozładowania.
Rysunek 4. Dwukierunkowy konwerter CLLC DCDC © Wolfspeed
W aplikacjach OBC, w celu uzyskania wyższej wydajności CLLC wykorzystuje miękkie przełączanie: przełączanie beznapięciowe (ZVS) po stronie pierwotnej i ZVS połączone z przełączaniem bezprądowym po stronie wtórnej.
Inną powszechną topologią dwukierunkowego konwertera DCDC jest podwójny aktywny most (dual active bridge, DAB). Działanie DAB jest dość proste, reguluje on moc poprzez przesunięcie fazy. Ma on jednak ograniczony zasięg ZVS i wyższą stratę przełączania niż CLLC, ponieważ prąd wyłączania DAB jest wyższy niż CLLC. Ogólnie rzecz biorąc, DAB ma niższą wydajność niż CLLC. Z drugiej strony konstrukcja obwodu rezonansowego w CLLC jest bardziej skomplikowana.