Более быстрая зарядка электромобилей с SiC

Перед электромобильностью еще предстоит преодолеть немало проблем. Глобальные экологические проблемы, такие как производство аккумуляторов, переработка и выработка электроэнергии, переплетаются с индивидуальными и практическими аспектами, такими как стоимость, емкость аккумуляторов и инфраструктура зарядки. Современные полупроводниковые технологии помогают решить, по крайней мере, некоторые из проблем.

Карбид кремния (SiC) давно используется в качестве полупроводникового материала. SiC был впервые запатентован в 1906 году как радиодетекторный диод и широко используется в военно-морской приемной технике. Точно так же первые коммерческие светодиоды были основаны на SiC, и этот материал стал известен благодаря созданию желтых и синих светодиодов. Из-за сложности производства его применение в силовой электронике произошло совсем недавно, за последние 20 лет.

Устранение дефектов кристаллов оказалось основным препятствием на пути развития SiC. Краевые дислокации, винтовые дислокации, треугольные дефекты и базисные плоские дислокации изначально вызывали плохую обратную блокировку в устройствах, изготовленных из кристаллов SiC. Помимо качества кристалла, проблемы с интерфейсом SiC с диоксидом кремния препятствовали разработке силовых полевых МОП-транзисторов на основе SiC и биполярных транзисторов с изолированным затвором. Только все еще плохо изученная нитридизация резко сократила количество дефектов, вызывающих проблемы на границе раздела. Это расчистило путь для полевых транзисторов, полевых МОП-транзисторов и диодов Шоттки с 2008 года. SiC, как полупроводниковый материал, имеет большие преимущества в скорости, высокой температуре и высоком напряжении.

Это именно то, что нужно в суровых автомобильных условиях. В электромобилях используются аккумуляторы емкостью до 100 кВт · ч, и цель состоит в том, чтобы зарядить их в кратчайшие сроки. Зарядка электромобиля с помощью общественных зарядных станций занимает больше времени, чем заправка автомобиля, работающего на ископаемом топливе. Скорость, с которой может заряжаться автомобиль, зависит от скорости зарядки зарядной станции и способности автомобиля принимать заряд. Подключив автомобиль, который может поддерживать очень быструю зарядку, к зарядной станции с очень высокой скоростью заряда, можно зарядить аккумулятор автомобиля до 80 процентов за 15 минут. Транспортным средствам и зарядным станциям с более низкой скоростью зарядки может потребоваться до часа, чтобы зарядить аккумулятор до 80 процентов. Как и в случае с мобильным телефоном,

Зарядные станции переменного тока подключают бортовую зарядную цепь автомобиля непосредственно к источнику переменного тока. Уровень 1 переменного тока подключается непосредственно к жилой розетке на 120 В, способной подавать от 12 А до 16 А (от 1,4 кВт до 1,92 кВт) в зависимости от мощности выделенной цепи. Уровень 2 переменного тока использует 240 В для жилого помещения или 208 В для коммерческого питания для подачи от 6 до 80 А (от 1,4 кВт до 19,2 кВт).

При быстрой зарядке постоянным током (DC) мощность сети проходит через инвертор переменного / постоянного тока, прежде чем достигнет аккумуляторной батареи транспортного средства, минуя бортовую схему зарядки. Уровень 1 постоянного тока обеспечивает максимум 80 кВт при 50–1000 В, а уровень 2 постоянного тока обеспечивает максимум 400 кВт при 50–1000 В. Стандарт для более крупных коммерческих автомобилей находится в стадии разработки с теоретической максимальной мощностью 4,5 МВт.

Диоды, полевые МОП-транзисторы и драйверы являются основными компонентами такой мощной схемы зарядки. Благодаря повышенной скорости переключения и уменьшенным потерям мощности, линейка SiC-устройств с широкой полосой пропускания от ON Semiconductor обеспечивает правильные компоненты для каждой части современных решений. Потребность в схемах защиты снижается за счет применения гальванически развязанных   сильноточных драйверов затвора .

NCx57200 компании Semiconductor представляет собой высоковольтный драйвер затвора с одним неизолированным драйвером затвора нижней стороны и одним гальванически изолированным драйвером затвора верхней или нижней стороны. Эти устройства могут напрямую управлять двумя биполярными транзисторами с изолированным затвором (IGBT) в полумостовой конфигурации. Гальваническая развязка драйвера затвора верхнего плеча обеспечивает надежное переключение в приложениях большой мощности для IGBT, которые работают до 800 В при высоком значении dv / dt. Оптимизированные выходные каскады позволяют снизить потери IGBT. Функции включают в себя два независимых входа с мертвым временем и блокировкой, точную асимметричную блокировку пониженного напряжения (UVLO), а также короткие и согласованные задержки распространения. В диапазоне полосы пропускания от 270 кГц до 3 МГц операционные усилители с типичным I Q от 17 мкА до 405 мкА позволяют создавать безопасные измерительные цепи в зарядных сетях.

Однако защита цепи по-прежнему необходима. Двухканальный цифровой изолятор NCID9211, соответствующий требованиям AEC- Q100, обеспечивает высокую изоляцию и высокую помехоустойчивость, характеризующуюся высоким подавлением синфазных помех (минимум 100 кВ / с) и отказом от источника питания. Как показывают статьи ON Semiconductor Protection & Small Signal Discretes, об остальном позаботятся предохранители и фильтры.