Bevezetés a gépjárműtöltők tervezésébe – a teljesítményfokozatok

A DC elektromos járműtöltők alapvetően csak AC-DC tápegységek, de az alkalmazás meglehetősen újszerű – a felhasználók csak a szolgáltatott energiáért fizetnek, és az átalakítás hatékonyságának hiánya a töltő üzemeltetőjét terheli. A beruházást meg kell fizetni, és a karbantartást minimalizálni kell a várható hosszú élettartam alatt, ezért alacsony költségű, megbízható és hatékony berendezésekre van szükség.

A tipikus AC-DC tápegységhez képest – az egyenáramú EV töltő kimenete nagyfeszültségű, és a különböző akkumulátoroknak megfelelően változtathatónak kell lennie az időzített, szekvenciális, állandóáram- és állandófeszültség-töltési rendszerrel. A teljesítményszintek is magasak, az ultragyors töltők teljesítménye a megawatt töredékeiben mérhető. A kétirányú energiaáramlás lehetősége is egyre inkább szempont.
Az AC-DC és DC-AC teljesítményátalakítás a konzervatív iparágakban, például a közüzemi váltakozó áramú tápegységekben és a CAV (Connected and Automated Vehicle)/vasúti vontatásban évtizedek óta foglalkozik ezekkel a technológiai kérdésekkel, de csak sokkal nagyobb rendszerek kis részeként. Ezek az iparágak ezért praktikusnak találták a régebbi, bevált technológiák, például az IGBT-k használatát a félvezető kapcsolókhoz, amelyek alacsony működési frekvenciával és nagy méretű, költséges mágneses elemekkel járnak.

Az egyenáramú EV töltők tervezési kihívásai

Egy egyenáramú EV töltő esetében a tervezőmérnököknek kihívást jelentett a veszteségek, a költségek és a méret csökkentése, ezért olyan újabb technológiákat kutattak fel, amelyek e tekintetben teljesítményelőnyt biztosítanak. Számos tápellátási alkalmazásban a szilícium MOSFET-ek felváltották az IGBT-ket, amik sokkal nagyobb kapcsolási frekvenciákat tesznek lehetővé, és ugyanabban az áramkörben kapcsolóként vagy szinkron egyenirányítóként is működhetnek, lehetővé téve a kétirányú energiaáramlást. A Si-MOSFET-ek általában 1200 V-os feszültségértékkel kaphatók, így megfelelnek a töltő tipikus egyenáramú kapcsolási és kimeneti feszültségének. Az eszközök azonban bekapcsolt állapotban ellenállással rendelkeznek, így nagyobb teljesítmény, és ebből következően nagyobb áramszintek esetén az egyes eszközökben a disszipáció exponenciálisan növekszik. A kisebb veszteség érdekében párhuzamosíthatók, de ezzel a költségek és a bonyolultság spirálszerűen nőnek. Ezért mindig van egy teljesítményszint, ahol a Si-MOSFET életképessége csökkenni kezd. Egy másik probléma a bennük rejlő testdióda – egyes átalakítási topológiák arra kényszerítik a diódát, hogy a kemény „be” és „ki” állapotok közötti holtidőben töltést vezessen és tároljon, és ez extra disszipációt okoz, amikor a dióda később fordított előfeszítésű, a töltés kiürülésekor a „helyreállítási” áram és a veszteségek nagy kiugrásával. Ez a hatás egyenesen a frekvenciával arányos, így korlátozza a gyor­sabb kapcsolás egyéb előnyeit.
A szilícium-karbid (SiC) és gallium-nitrid (GaN) széles tiltott sávú eszközöket (WBG) a teljesítménykapcsolók jövőjeként tartják számon, mivel viszonylag kisebb dinamikus és statikus veszteségekkel rendelkeznek, mint a szilícium, és elméletileg sokkal magasabb hőmérsékleten is működhetnek, bár ezt a gyakorlatban a tokozás korlátozza. Nem jelentenek azonban csodaszert, mivel mind a SiC, mind a GaN a szilíciumnál különlegesebb gate-meghajtási követelményeket támaszt, a SiC testdióda gyors, de nagy az előremenő feszültségesése, a GaN-nek pedig nincs testdiódája, de a holtidőben a gate meghajtófeszültségétől függő fordított feszültségesést mutat. A GaN-nek nincs lavinavédelmi hatása sem, ezért az eszközgyártóknak viszonylag alacsony feszültségre kell besorolniuk az alkatrészeiket, hogy megfelelő működési tartalékot biztosítsanak a katasztrofális meghibásodás előtt.
A SiC-eszközök azonban ma már általánosan elterjedtek, és az optimális kialakítás gyakran Si- és SiC-MOSFET-ek és SiC-diódák kombinációjából áll. Egy tipikus háromfázisú töltő hajtásláncvázlata az 1. ábrán látható.

1. ábra Egy tipikus egyenáramú EV-töltő elrendezése

 
Az 1. ábrán egy „Vienna egyenirányító” fokozat biztosítja a hálózati egyenirányítást és a teljesítménytényező-korrekciót, amelyet egy teljeshidas „LLC”-átalakító követ. A Vienna egyenirányító lehetővé teszi az egyenáramú kapcsolók névleges feszültségének felét, így a Si-MOSFET-ek előnyben lehetnek itt a költségek és az ellenállás tekintetében, és a 650 V névleges eszközök háromfázisú 480 VAC bemenetig használhatók. Az áramkör azonban csak egyirányú, jelentős további bonyolultság nélkül. Az LLC fokozat biztonságosan használhat 1200 V-os SiC MOSFET-eket körülbelül 1000 V-os egyenáramú kapcsolatig, mivel a teljes hídelrendezés az egyenáramú sínre szorítja bármely eszköz által érzékelt maximális feszültséget. Alacsonyabb feszültségű egyenáramú kapcsolatok esetén, mint például az egyfázisú váltakozó áramú bemeneteknél, a GaN-eszközök jelentenek lehetőséget. Egyirányú működés esetén a kimenetre diódák használhatók némi extra vezetési veszteséggel, és a SiC típusok alkalmasak lennének a fordított helyreállítási hatás hiányával.

A töltők általában modulárisak

A DC EV töltők tervezésében a moduláris felépítés a jellemző, ahol a nagyobb teljesítményt az átalakítási szakaszok egymásra helyezésével vagy párhuzamosításával érik el. Ez azzal az előnnyel járhat, hogy csökkenti a félvezetőterhelést, és ha az órajelek átlapolásával valósul meg, az EMI és a kapcsolódó passzív eszközökre nehezedő terhelés is alacsonyabb lehet. A koncepciót tovább viszik a 25 kW körüli teljesítményű, teljes töltőalegységekkel, amelyeket a nagyobb teljesítmény érdekében többszörösével szerelnek össze, egészen a jelenleg látható 350 kW körüli maximális teljesítményig. Mivel az egyes alegységek önállóak, szükség szerint kapcsolhatók be a legjobb általános hatékonyság érdekében, és egyetlen meghibásodás csak a potenciális maximális teljesítményt csökkenti, nem pedig a teljes töltő leállítását.

Mélyebbre merülés

Az elektromos járművek töltőállomásainak teljesítményfokozatait illetően számos lehetőséget kell mérlegelni. Itt csak a felszínt érintettük. Részletes tervezési tanácsok és alkatrészajánlások találhatóak az ingyenesen letölthető „EV Charging Infrastructure Designbook” első kö­tetében [Volume One: Power Stages (avnet.com)], amely a következő témaköröket taglalja:  

• Töltőtípusok
• AC és DC töltőállomások felépítése
• Teljesítményfokozatok funkciói
• Technológiák és átalakítási topológiák

EV-töltő-tervezéssel kapcsolatos kérdéseivel forduljon bizalommal szakértőinkhez.
Az EBV Elektronik – mint vezető félvezető-forgalmazó Európában – széles gyártói portfóliójából a legújabb alkatrészek és félvezető-megoldások teljes és folyamatos ellátását garantálja. Vegye fel a kapcsolatot az EBV technológiai és piaci szakértőivel, hogy az alkalmazásaihoz az optimális megoldást választhassa!

Több mint disztribúció – EBV Elektronik!

Farkas Szabolcs
EBV Elektronik Kft.
1117 Budapest, Budafoki út 91–93.
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.ebv.com