Un'introduzione ai caricabatterie rapidi CC per veicoli elettrici e alle topologie di alimentazione

Nonostante i titoli dei giornali sul rallentamento dell'adozione dei veicoli elettrici, questi hanno superato il milione di vendite negli Stati Uniti nel 2023. Insieme a questo aumento del numero di proprietari di veicoli elettrici, anche le infrastrutture di ricarica stanno crescendo rapidamente per stare al passo.

Esistono tre modelli di caricabatterie principali: L1, L2 e L3.

L1 è il più lento e meno efficiente in quanto utilizza una sorgente CA standard da 120 V. L2 utilizza una fonte di alimentazione CA da 240 V e aggiunge corrente da sei a otto volte più velocemente della carica L1.

Sia L1 che L2 forniscono corrente CA al veicolo (e sono tecnicamente classificati come EVSE, ovvero dispositivi per la ricarica di veicoli elettrici, non caricabatterie di per sé), il che richiede al veicolo di eseguire internamente la conversione CC per caricare la batteria.

I caricabatterie L3 forniscono direttamente al veicolo corrente continua, in genere a 400 o 800 V CC, consentendo al veicolo di aggiungere qualche centinaio di chilometri di autonomia in meno di un'ora.

Considerate le enorme differenze tra questi modelli e quelle più fini che emergeranno tra le diverse applicazioni, è necessario tenere conto delle topologie elettroniche di ricarica interna. In questo articolo descriveremo diverse topologie CA-CC, insieme alle topologie CC-CC che possono essere utilizzate nelle applicazioni di veicoli elettrici.

Opzioni di topologia del caricabatterie per veicoli elettrici da CA a CC

PFC (correzione del fattore di potenza) del totem pole monofasico

PFC del totem pole monofasico

La topologia PFC del totem pole monofasico è un progetto relativamente semplice con un basso costo della distinta base. Presenta due interruttori di controllo principali, con diodi o MOSFET a basso R_DSON per fornire la rettifica. È intrinsecamente in grado di funzionare in modo bidirezionale (ovvero ricarica da veicolo a rete, V2G), ma la modalità di conduzione continua (CCM) è pratica solo quando si utilizza la commutazione SiC e GaN, e non quando si utilizzano componenti Si più tradizionali.

Nel complesso, questa topologia tende ad essere meno efficiente a causa delle elevate perdite di commutazione, sebbene le perdite di conduzione siano basse. L'efficienza può essere migliorata utilizzando quattro driver di potenza interlacciati anziché due, nonché utilizzando la commutazione SiC e GaN.

Correzione del fattore di potenza fissa del punto neutro monofasico (NPC PFC)

PFC NPC monofasico

La topologia NPC monofasica converte la corrente alternata in uscite di tensione CC positiva e negativa, con un punto neutro definito, o fisso, tra le due. Questa topologia può produrre una distorsione molto bassa, con una tensione inferiore tra gli interruttori di alimentazione, poiché solo la metà dell'intervallo di tensione CC totale viene gestita da ciascun livello CC (a differenza del funzionamento dei raddrizzatori a gamma completa). In questa topologia è quindi possibile implementare interruttori MOSFET economici, anziché SiC o GaN. Tuttavia, sono necessari quattro interruttori e i relativi driver associati, mentre solo due sono nominalmente richiesti nella topologia PFC totem monofasica.

Il funzionamento bidirezionale è possibile grazie alla modalità di commutazione attiva. Questa topologia può essere ulteriormente migliorata con una commutazione GaN/SiC quando sono richieste prestazioni estremamente elevate.

Correzione del fattore di potenza (PFC) trifasico a due livelli

PFC trifasico a due livelli

La topologia PFC trifasico a due livelli è un circuito raddrizzatore di tipo boost che utilizza sei interruttori. Si tratta di una topologia semplice dal punto di vista della distinta base e del circuito e può ospitare un flusso di potenza bidirezionale con un'efficienza ragionevole.

Sebbene questo sia un modo elegante e semplice per implementare la conversione di potenza trifasica bidirezionale, questa topologia presenta diversi inconvenienti. A differenza di altre topologie discusse qui, gli interruttori devono essere in grado di bloccare l'intera tensione del bus. Ad esempio, un'uscita da 800 V CC richiederebbe interruttori SiC da 1200 V o dispositivi con capacità simili per la regolazione. Il corretto funzionamento richiede inoltre un induttore di filtro per regolare la corrente in ingresso su valori bassi di distorsione armonica totale (THD). Le EMI sono elevate rispetto ad altre topologie PFC e le sollecitazioni di tensione a gamma completa subite dai componenti possono influire sull'affidabilità a lungo termine.

Raddrizzatore Vienna

Raddrizzatore Vienna

Il raddrizzatore Vienna, brevettato nel 1993, è adatto per applicazioni di correzione del fattore di potenza trifasico ad alta potenza. Può funzionare in modalità di conduzione continua (CCM) ed è relativamente semplice da controllare. Questa topologia consente una maggiore efficienza a frequenze di commutazione elevate rispetto alle configurazioni PFC a due livelli, utilizzando MOSFET Si o IGBT e diodi Schottky SiC in conformità con il suo design a tre livelli. La topologia del raddrizzatore Vienna presenta alta efficienza e bassa THD.

Uno svantaggio caratteristico del raddrizzatore Vienna è che supporta nominalmente solo la conversione di potenza unidirezionale dalla rete CA alle applicazioni CC, ad esempio per la ricarica dei veicoli elettrici. Tuttavia, l'alimentazione bidirezionale può essere implementata sostituendo i diodi di potenza con interruttori attivi.

PFC trifasico con punto neutro fisso (NPC)

PFC NPC trifasico a tre livelli

La topologia NPC trifasica, simile alla topologia NPC monofasica discussa in precedenza, amplia il concetto di commutazione in tre fasi. Come nella versione monofasica, ciascun driver deve gestire solo metà della tensione del bus. Ciò riduce le perdite di commutazione e la sollecitazione di tensione e consente l'uso di componenti da 600 V più economici rispetto ai tipi da 1200 V. Pertanto, la topologia NPC trifasica può essere implementata con la tecnologia Si, SiC o GaN, a seconda delle esigenze. Questa topologia è in grado di effettuare la conversione di potenza bidirezionale ed è una scelta eccellente per frequenze di commutazione superiori a 50 kHz, grazie alle basse perdite di commutazione e all'elevata efficienza.

Per il controllo NPC trifasico sono necessari nove driver gate, rispetto ai quattro richiesti per la versione monofasica, ciascuno dei quali necessita del proprio circuito di controllo. Per una migliore gestione termica, i diodi NPC possono essere sostituiti con interruttori attivi, creando una topologia ANPC (Active Neutral Point Clamped). Ognuna di queste topologie NPC è piuttosto complessa, sia dal punto di vista della distinta base che dei circuiti.

Punto neutro di tipo T fisso (TNPC) trifasico a tre livelli

PFC NPC di tipo T trifasico a tre livelli

Questa topologia funziona in modo simile alla configurazione del circuito PFC trifasico a due livelli descritta in precedenza, ma aggiunge un interruttore bidirezionale attivo da ciascuna linea CA trifasica al punto medio del collegamento CC. In questo caso, il lato alto e quello basso di ciascuna conversione CA-CC dovrebbero comunque essere commutati nella loro interezza, pertanto richiederebbero interruttori in grado di effettuare questa regolazione (ad esempio, IGBT e diodi da 1200 V per un intervallo di collegamento CC da 800 V). La configurazione di commutazione bidirezionale al punto medio del collegamento CC, tuttavia, è necessaria solo per regolare la metà di questa tensione e può quindi essere implementata con dispositivi di potenza inferiore.

In generale, le perdite di conversione sono basse rispetto alle topologie NPC, ma le perdite di commutazione complessive sono elevate per gli interruttori utilizzati per bloccare l'intera gamma di tensione. Presenta una maggiore efficienza rispetto alle topologie NPC e ha un layout leggermente più semplice, con meno componenti. Può servire per fornire commutazione bidirezionale e offre buone prestazioni THD.

Opzioni di topologia del caricabatterie per veicoli elettrici da CC a CC

Oltre a invertire l'alimentazione da CA in CC, è necessario fornire al veicolo e/o alla batteria la tensione CC corretta. Anche qui esistono diverse opzioni.

Topologie di alimentazione delle stazioni di ricarica per veicoli elettrici - CA/CC

Ponte completamente sfasato (PSFB)

Ponte completamente sfasato (PSFB)

In questa topologia, sul lato primario di una configurazione a ponte di un trasformatore CC sono implementati quattro interruttori, insieme a un induttore. L'alimentazione CC in entrata viene sfasata tramite un controller che rileva la tensione sulla corrente su entrambi i lati primario e secondario, ma aziona solo gli interruttori sul lato primario. Il lato secondario utilizza diodi per regolare la potenza sfasata in uscita.

Viene utilizzato solo per il trasferimento di potenza unidirezionale. L'efficienza è tipicamente bassa, con perdite di conduzione moderate ed elevate perdite di commutazione. Il costo di questa topologia è moderato, con una semplice configurazione di controllo, per cui vale la pena prenderla in considerazione in alcuni casi.

Convertitore risonante LLC

Convertitore risonante LLC

Il convertitore risonante LLC è simile alla topologia PSFB, ma aggiunge un condensatore sul lato primario. Gli interruttori attivi sul lato primario regolano la potenza in ingresso. Il sistema è più efficiente quando funziona vicino alla sua frequenza di risonanza intrinseca. Ciò consente di attivare ZVS (commutazione a tensione zero) e di disattivare ZCS (commutazione a corrente zero).

Questa topologia consente unicamente il trasferimento di potenza unidirezionale. La disposizione dei controlli dal punto di vista del circuito complessivo è lo stesso di un PSFB, ma l'implementazione effettiva può essere più difficile, soprattutto nel funzionamento parallelo e sincrono, e spesso richiede una logica di controllo esterna. Le prestazioni EMI sono migliori rispetto alle topologie con commutazione hardware come PSFB. L'efficienza complessiva è elevata, con basse perdite di commutazione ed elevate perdite di conduzione. Il costo di implementazione è moderato e generalmente inferiore a quello di una configurazione a doppio ponte attivo.

Doppio ponte attivo (DAB)

Doppio ponte attivo (DAB)

Il design del convertitore a doppio ponte attivo è quasi identico alla topologia PSFB descritta sopra. Gli interruttori attivi sul lato primario forniscono lo sfasamento; tuttavia, il lato secondario utilizza una serie di quattro interruttori attivi (ad esempio, dispositivi SiC o GaN) invece dei diodi per regolare questa alimentazione. Ciò consente il trasferimento di potenza bidirezionale, nonché un controllo più preciso nell'operazione di conversione della potenza da primaria a secondaria.

Oltre alle caratteristiche di utilizzo bidirezionale, questa configurazione di controllo attivo può fornire una migliore efficienza complessiva rispetto alle topologie PSFB, con perdite di conduzione molto basse. Tuttavia, subirà comunque elevate perdite di commutazione. Il controllo, pur essendo semplice, è più complicato della configurazione PSFB. È necessario utilizzare un driver gate sia sul lato secondario che su quello primario del trasformatore. Il costo di questa topologia è relativamente elevato.

DAB in modalità CLLC

DAB in modalità CLLC

Il DAB in modalità CLLC è la soluzione per chi desidera la massima efficienza per lo stadio CC-CC. Funziona come una LLC ma utilizza interruttori attivi sul lato secondario, che consentono una funzionalità bidirezionale. Tuttavia, è limitato agli intervalli di potenza presenti nei caricabatterie di bordo poiché il parallelismo di questa topologia è molto difficile.

Sebbene possa supportare un'ampia gamma di tensione della batteria con buona efficienza, il suo raggio d'azione è molto limitato, con una tensione del bus fissa. Inoltre, il rischio di saturazione del nucleo del trasformatore è mitigato dalla presenza di condensatori sia sul lato primario che su quello secondario. Similmente al DAB, il costo di questa implementazione è relativamente elevato.

Considerazioni sulla scelta di una topologia di ricarica per veicoli elettrici

Quando si considera una topologia di rettifica CA-CC, nonché la conversione CC-CC nel contesto della ricarica di veicoli elettrici, occorre valutare innanzitutto se si lavorerà con alimentazione CA trifasica o monofasica e valutare questa topologia dal punto di vista del tempo di carica, dell'affidabilità, della generazione di calore e dello spazio. Una volta selezionata la topologia complessiva, è possibile esaminare il costo delle singole parti e dei circuiti. Se necessario, valutare la possibilità di tornare al livello di topologia o anche a criteri di progettazione di livello superiore.

La buona notizia è che esiste un'ampia gamma di topologie e opzioni di componenti per soddisfare i requisiti del progetto. Se occorre un punto di partenza, eInfochips, una società Arrow, offre un progetto di riferimento da 30 kW che può essere utilizzato per avviare più facilmente il processo di progettazione.

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