Industria auto se îndreaptă către un viitor mai sustenabil, odată cu introducerea pe piață a tot mai multor vehicule hibride (HEV), complet electrice (EV), precum și vehicule cu pile de combustie. Electrificarea funcțiilor critice necesită soluții fiabile pentru generarea, distribuirea și controlul sistemelor de mare putere. Pe măsură ce cantitatea de energie electrică stocată și utilizată de vehicule crește, sporește și necesitatea densității și eficienței energetice. Monitorizarea și controlul precis sunt esențiale pentru funcționarea fiabilă a subsistemelor electrice. Furnizorii de semiconductori precum Microchip oferă o gamă largă de hardware și software, instrumente de dezvoltare integrate și soluții de alimentare eficiente, bazate pe carbura de siliciu (SiC), pentru a sprijini inovarea în sistemele EV și HEV.
Tehnologia SiC – motorul inovației în sistemele de propulsie și alimentare EV/HEV
Proiectanții de subsisteme auto se străduiesc în permanență să dezvolte soluții inovatoare pentru a extinde autonomia și a reduce timpul de încărcare a vehiculelor electrice. În urmărirea acestor obiective, proiectanții au împins tehnologiile bazate pe siliciu aproape de limitele fizice privind dimensiunea, greutatea și eficiența energetică, orientându-se acum către soluții bazate pe SiC pentru a răspunde acestor provocări. În comparație cu siliciul, dispozitivele SiC oferă o rezistență ON (on-state resistance) mai mică, viteze de comutare mai mari și capacitatea de a suporta tensiuni și curenți mai mari la temperaturi de joncțiune ridicate. Un alt avantaj major al tehnologiei SiC este dimensiunea redusă, care permite o densitate de putere crescută – esențială în numeroase aplicații ale vehiculelor electrice. Nu este surprinzător că piața auto a semiconductorilor de putere SiC cu bandă interzisă largă (WBG) este estimată să crească de 13 ori față de valoarea actuală de 1 miliard de dolari până în 2030, potrivit Omdia (raport Semiconductori de putere SiC în funcție de aplicație, scenariul Mid Case 2022).
Figura 1: E-Fuse bazat pe SiC. (Sursa imaginii: Microchip)
Tendința către utilizarea unor tensiuni mai mari, cum ar fi 800V, în vehiculele electrice determină apariția unor noi modele de invertoare de tracțiune, convertoare DC-DC, încărcătoare la bord și compresoare pentru pompe de căldură și pile de combustie. Performanța robustă a MOSFET-urilor și diodelor SiC de înaltă tensiune le face ideale pentru vehiculele electrice, în special în aplicații comerciale și off-road, unde disponibilitatea este esențială.
Infrastructura existentă de încărcare la 400V destinată vehiculelor obișnuite va trebui, de asemenea, să se adapteze la noile modele de vehicule de 800V. Nevoia tot mai mare de tensiuni ridicate stimulează dezvoltarea modulelor ridicătoare de tensiune DC-DC din vehicule, pentru a interconecta liniile de tensiune.
Tehnologia SiC poate acționa și ca element de comutare într-un întrerupător de circuit cu stare solidă (solid-state circuit breaker), sau E-Fuse, pentru a proteja componentele electrice din vehicul și a diagnostica defecțiunile înainte ca acestea să devină avarii grave. Timpul de nefuncționare pentru reparații și costurile pot fi reduse prin opțiuni îmbunătățite de diagnosticare și configurare în comparație cu soluțiile mecanice.
În paralel, crește cererea pentru o infrastructură de încărcare rapidă în curent continuu, care să permită alimentarea rapidă a vehiculelor – aspect deosebit de important pentru aplicații comerciale, de la camioane și autobuze, până la echipamente miniere și de construcții, care trebuie să funcționeze cât mai mult timp posibil.
Întrerupătoare de circuit cu stare solidă
Utilizarea tehnologiei SiC într-un întrerupător de circuit cu stare solidă (solid-state) oferă o serie de avantaje față de soluțiile tradiționale de protecție a circuitelor. Această tehnologie permite comutarea rapidă, utilizând un profil de declanșare configurabil prin software – de exemplu, prin intermediul unei interfețe LIN – pentru a întrerupe circuitul în microsecunde, de 100 până la 500 de ori mai rapid decât abordările mecanice tradiționale, datorită designului său solid-state de înaltă tensiune.
Dispozitivul E-Fuse poate fi resetat, eliminând necesitatea înlocuirii siguranțelor fizice, ceea ce oferă o soluție fiabilă și durabilă în aplicații cu întreruperi frecvente ale circuitului. Riscurile potențiale de arc electric la comutarea curenților DC de înaltă tensiune prin contacte mecanice sunt eliminate atunci când se utilizează o soluție E-Fuse solid-state.
Microchip demonstrează tehnologia E-Fuse cu switch-uri MOSFET mSiC™ de 700V și 1200V, care integrează detecția curentului, amplificatoare, interfață LIN și un microcontroler PIC™ pe 8-biți cu periferice independente de nucleu, oferind o soluție completă și extrem de integrată. Toate componentele sunt disponibile cu certificare AEC-Q pentru industria auto. Acest design implementează o curbă caracteristică timp-curent (TCC), care permite proiectanților să facă tranziția de la siguranțele sau contactele tradiționale și asigură un timp de rezistență la scurtcircuit de până la 10 µs, cu un curent nominal de până la 30A. (n.red.: TCC (curbă caracteristică timp-curent): Relație grafică între intensitatea curentului și timpul necesar pentru declanșarea protecției.)
Încărcare rapidă
Vehiculele electrice comerciale și off-road necesită o capacitate de încărcare rapidă. În timp ce o mașină personală poate fi lăsată la încărcat peste noapte, autobuzele sau echipamentele de construcții trebuie să funcționeze eficient pe toată durata zilei sau nopții. Acestea trec la baterii de 800V sau chiar 1000V, pentru a furniza nivelurile de putere necesare vehiculelor de dimensiuni mari și cu sarcini grele.
Aceste modele de încărcătoare la bord necesită niveluri de putere mai ridicate, iar tehnologia SiC oferă o soluție optimă. Dispozitivele cu tensiuni nominale de 1200V și chiar 1700V oferă dezvoltatorilor o marjă de proiectare mai mare. Acest lucru se traduce printr-o performanță mai ridicată a vehiculului, mai puțină redundanță și o fabricare mai simplă a componentelor.
Eficiența mai mare a tehnologiei SiC, comparativ cu IGBT-urile din siliciu, permite utilizarea unor radiatoare mai mici, contribuind la reducerea greutății vehiculului.
Soluții bazate pe SiC pentru conversia eficientă a energiei în vehicule comerciale
Figura 2: Convertor DC-DC SiC de 30 kW. (Sursa imaginii: Microchip)
Este disponibil un prototip tehnologic al unui convertor DC-DC izolat de 30 kW, bazat pe tranzistoare MOSFET mSiC de 1200V rezistente la avalanșă (avalanche-rated) și diode mSiC duble de 1200V. Proiectul atinge o eficiență maximă de peste 98%, cu o tensiune de intrare de 650 – 750V și o tensiune de ieșire de 150 – 600V, la un curent maxim de 50 – 60A și o frecvență de comutare de 140 kHz. Layout-ul PCB-ului este optimizat pentru siguranță, managementul curentului, solicitări mecanice și imunitate la zgomot. (n.red.: În electronica de putere, un dispozitiv “rezistent la avalanșă” (avalanche-rated) poate suporta eliberarea bruscă de energie acumulată în circuite inductive, fără a fi deteriorat. Acest fenomen apare atunci când tensiunea depășește pragul de avalanșă al componentelor semiconductoare, iar dispozitivul este proiectat să reziste la aceste condiții extreme.)
Figura 3: Proiect de referință PFC de 30 kW cu topologie Viena. (Source image: Microchip)
De asemenea, este disponibil un proiect de referință trifazic PFC (corecție a factorului de putere) de 30 kW, cu topologie Viena, bazat pe dispozitive SiC. PFC-urile sunt în general necesare pentru conversia de la curent alternativ la curent continuu și pentru a menține deplasarea de fază a curentului de intrare în limite bine definite față de tensiunea de rețea, asigurând un factor de putere apropiat de unitate și o distorsiune armonică totală (THD) redusă. (n.red.: THD (distorsiune armonică totală): Măsură a distorsiunii semnalului electric față de forma sa sinusoidală ideală.)
În viitor, alimentarea rețelei electrice din bateria vehiculului va deveni o opțiune necesară. Această funcționalitate de încărcare bidirecțională poate fi demonstrată de un alt proiect PFC de 11 kW, bazat pe SiC, într-o topologie Totem-Pole. Convertorul DC-DC și PFC-ul pot fi, de asemenea, combinate modular.
Componente pentru încărcătoare de infrastructură de până la 150 kW
Carbura de siliciu este esențială și pentru infrastructura de încărcare. Aceleași avantaje – posibilitatea de a lucra la tensiuni și curenți mai mari, combinate cu o eficiență superioară și necesar redus de răcire – permit proiectarea unor încărcătoare mai compacte. Deși dimensiunea fizică nu este critică pentru vehiculele comerciale și off-road care sunt depozitate peste noapte în depouri, aceasta devine importantă în cazul încărcătoarelor bidirecționale DC destinate uzului casnic, care devin tot mai populare.
Figura 4: Infrastructura de încărcare. (Source image: Microchip)
În mod similar, încărcătoarele rapide de curent continuu de nivel 3 din spațiile publice ocolesc încărcătorul de bord (OBC) al vehiculului și încarcă direct bateria prin intermediul sistemului de management al bateriei (BMS). Această bypassare a OBC permite rate de încărcare semnificativ mai mari, cu o putere de ieșire cuprinsă între 50 și 350 kW.
Arhitecturi modulare și scalabile pentru încărcarea rapidă DC cu tehnologie SiC
O arhitectură modulară de proiectare presupune utilizarea unui front-end PFC pentru conversia AC-DC, pornind de la tensiuni AC mai mari, cum ar fi 480V, împreună cu mai multe convertoare DC-DC izolate, conectate în paralel pentru a furniza energie vehiculului.
Această abordare permite dezvoltarea unei game variate de încărcătoare, construite din module standardizate, adaptabile la cerințele diferiților operatori de vehicule. Pe măsură ce nevoile acestora cresc, impunând o putere mai mare pentru încărcare rapidă, infrastructura poate fi scalată folosind dispozitive SiC. Această metodă este aplicată atât în sistemele de încărcare rapidă de până la 150 kW, cât și în cele de putere și mai mare.
Utilizarea managementului digital al energiei, împreună cu o combinație de MOSFET-uri și diode SiC, permite proiectarea unor soluții cu eficiență ridicată, integrare sistemică avansată, densitate mare de putere, bucle de control digital sofisticate și flexibilitate extinsă – în diverse topologii de putere pentru aplicații de încărcare rapidă DC. Aceste soluții pot fi completate cu dispozitive analogice, circuite de management al energiei, module de conectivitate wireless și prin cablu, circuite de măsurare a energiei, memorii, soluții de securitate și interfețe om-mașină (HMI), pentru a finaliza un sistem de încărcare rapidă DC L3.
Concluzie
Soluțiile bazate pe semiconductori cu bandă interzisă largă, precum carbura de siliciu (SiC), sunt esențiale pentru mobilitatea electrică, deoarece permit niveluri superioare de eficiență, densitate și fiabilitate în conversia de putere.
Microchip sprijină proiectanții în adoptarea rapidă și sigură a tehnologiei SiC, oferind produse și soluții de putere din portofoliul său mSiC™.
Figura 5: De la pastile SiC, pachete waffle, capsule SMD și Through-Hole, până la module de putere complete. (n.red.: waffle pack – format de ambalare a pastilelor semiconductoare în grile organizate, folosit pentru manipularea automatizată în producție.) (Source image: Microchip)
Acesta include pastile brute (bare die), componente discrete și module cu tensiuni de operare cuprinse între 700V și 3,3kV. (n.red.: Bare die – cip semiconductor în forma sa brută, fără capsulare, utilizat în aplicații de integrare avansată sau montaj personalizat.)
Portofoliul global include, de asemenea, microprocesoare, microcontrolere, circuite Wi-Fi®/Bluetooth® și de măsurare, precum și interfețe grafice tactile pentru stații de încărcare. În domeniul vehiculelor, Microchip oferă controlere de semnal digital cu calificare auto, componente de rețea internă și drivere.
Soluția completă include, de asemenea, suite software pentru algoritmi avansați de control al motoarelor și al surselor de alimentare în comutație, precum și stive software auto și biblioteci de diagnosticare pentru siguranță funcțională.
Autor: Andreas von Hofen,
Marketing Manager – Automotive Products Group
Microchip Technology | https://www.microchip.com
