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Selección de componentes para cargadores rápidos de CC: adaptación a los requisitos de conmutación, protección y conversión de energía.
La selección de componentes comienza con la arquitectura eléctrica del cargador.
Un cargador rápido de CC contiene varias etapas eléctricas en lugar de un único circuito de alimentación.
Dependiendo del diseño del cargador, la ruta eléctrica puede incluir:
Entrada de CA → rectificación/PFC → enlace de CC → conversión CC-CC → conmutación de salida → batería del vehículo
Alrededor de esta ruta principal de alimentación se encuentran las fuentes de alimentación auxiliares, los circuitos de control, las interfaces de comunicación, los circuitos de detección y las funciones de protección.
Cada sección impone requisitos diferentes a sus componentes.
Por ejemplo, un semiconductor de potencia en la etapa PFC se evalúa de forma diferente a un relé utilizado en un circuito auxiliar. Un condensador de enlace de CC tiene requisitos distintos a los de un conector de salida o un sensor de corriente.
Por este motivo, la selección de componentes resulta más útil cuando se parte de la función de cada circuito en lugar de una categoría de producto general.
Semiconductores de potencia: haga coincidir el dispositivo con la etapa de conmutación.
Los semiconductores de potencia se encuentran entre los componentes más críticos de un cargador rápido de CC.
Dependiendo de la topología y el nivel de potencia, el cargador puede utilizar IGBT, MOSFET de silicio, MOSFET de SiC, diodos o módulos de potencia integrados.
Los dispositivos de SiC se utilizan cada vez más en la carga de alta potencia debido a que sus características de conmutación y conducción permiten una mayor eficiencia y densidad de potencia. Los diseños de referencia de la industria ahora incluyen etapas PFC y CC-CC basadas en SiC para la carga rápida de CC.
Pero elegir un dispositivo SiC simplemente porque el cargador es de "alta potencia" no es suficiente.
Los ingenieros normalmente necesitan evaluar:
- Voltaje de bloqueo
- Corriente continua y corriente máxima
- Frecuencia de conmutación
- Pérdida de conducción
- Pérdida por conmutación
- Requisitos de accionamiento de la puerta
- Resistencia térmica
- Capacidad de cortocircuito
- Requisitos de embalaje y montaje
El dispositivo adecuado depende de la topología de conmutación específica y del punto de funcionamiento.
Un dispositivo seleccionado para una etapa CC-CC de alta frecuencia puede no ser la mejor opción para otra sección del cargador.
Condensadores de enlace de CC: La tensión eléctrica importa
El condensador del enlace de CC se sitúa entre las principales etapas de conversión y ayuda a estabilizar el bus de CC intermedio.
Su selección implica más que la capacitancia.
Los parámetros importantes pueden incluir:
- Tensión nominal
- Corriente ondulante
- ESR
- Clasificación de temperatura
- Vida
- Tolerancia de capacitancia
- Dimensiones mecánicas
- Método de montaje
Una corriente de rizado elevada puede generar un calentamiento interno adicional, mientras que una temperatura de funcionamiento elevada puede afectar la vida útil del condensador.
Esto cobra especial importancia en los módulos de carga compactos de alta potencia, donde la densidad de potencia está aumentando.
Un condensador con una tensión nominal adecuada puede resultar inadecuado si su capacidad de corriente de rizado o su vida útil térmica no se ajustan a las condiciones de funcionamiento reales.
Inductores y componentes magnéticos: Más allá de la inductancia
Los inductores se utilizan en varias partes de un sistema de carga, incluyendo la corrección del factor de potencia (PFC), el filtrado y la conversión CC-CC.
El valor nominal de la inductancia es solo una parte del proceso de selección.
Los ingenieros también deben tener en cuenta lo siguiente:
- Corriente de saturación
- Corriente RMS
- pérdida central
- pérdida de cobre
- Frecuencia de conmutación
- Aumento de temperatura
- resistencia de CC
- Tamaño mecánico
A medida que aumentan la frecuencia de conmutación y la densidad de potencia, las pérdidas magnéticas y el comportamiento térmico adquieren cada vez mayor importancia.
Esta es también la razón por la que los componentes pasivos deben evaluarse junto con los dispositivos de conmutación seleccionados, en lugar de tratarse como partes independientes.
Los componentes de conmutación y protección requieren criterios de selección diferentes.
Un cargador rápido de CC necesita conmutación controlada, así como protección contra fallos.
Estas funciones están relacionadas, pero no son intercambiables.
Un dispositivo de conmutación puede utilizarse para conectar o desconectar un circuito durante el funcionamiento normal, mientras que un fusible u otro dispositivo de protección puede estar destinado a interrumpir condiciones de corriente anormales.
Para los componentes de conmutación de CC, los ingenieros pueden necesitar evaluar:
- Voltaje del sistema
- Corriente continua
- Corriente de conmutación
- Características de carga
- Condiciones de corriente de entrada
- Frecuencia de conmutación
- Resistencia eléctrica
- Requisitos de aislamiento
- Condiciones ambientales
En lo que respecta a los componentes de protección, la evaluación puede centrarse en:
- Tensión nominal
- Corriente nominal
- Capacidad de interrupción
- Corriente de cortocircuito disponible
- Características de prearco
- Coordinación con los componentes posteriores
- Temperatura de instalación
Por lo tanto, que dos componentes tengan la misma corriente nominal no significa que sean intercambiables.
La detección de corriente y voltaje da soporte al sistema de control.
Los cargadores rápidos se basan en la medición para controlar la conversión de energía y supervisar las condiciones de funcionamiento.
Los sensores de corriente y voltaje pueden proporcionar información sobre:
- Control de conversión de energía
- Regulación de salida
- Detección de sobrecorriente
- Monitorización de fallos
- Medición de energía
- Comunicación con el controlador del cargador
La selección del sensor debe tener en cuenta el rango de medición real, la precisión, el tiempo de respuesta, los requisitos de aislamiento y el entorno operativo.
En el caso de sistemas de corriente continua de alta potencia, el sensor también debe adaptarse a la disposición física y eléctrica del circuito de corriente.
Un componente que sobre el papel presenta una buena precisión de medición puede, aun así, generar problemas de integración si su método de instalación, aislamiento o comportamiento térmico no se ajustan al diseño del cargador.
Los componentes de aislamiento y control forman parte del sistema eléctrico.
La etapa de potencia es solo una parte de un cargador rápido de CC.
Las tarjetas de control deben comunicarse con los dispositivos de alimentación manteniendo el aislamiento eléctrico requerido.
Dependiendo de la arquitectura, el sistema puede contener:
- Controladores de puerta aislados
- Aisladores digitales
- Optoacopladores
- Relevos
- Dispositivos de acondicionamiento de señal
- Circuitos integrados de interfaz
- Microcontroladores
- Componentes de comunicación
Puede que estos componentes no soporten cientos de amperios, pero su fiabilidad afecta directamente al control del circuito de alta potencia.
A medida que los dispositivos de conmutación se vuelven más rápidos, la sincronización del control de puerta, el rendimiento del aislamiento y la integridad de la señal también adquieren mayor importancia.
No se deben pasar por alto las fuentes de alimentación auxiliares.
Un cargador rápido de CC también contiene muchos circuitos que funcionan fuera de la ruta de alimentación principal.
La alimentación auxiliar puede suministrar:
- Paneles de control
- Sistemas de refrigeración
- Contactores y relés
- Módulos de comunicación
- Pantallas
- Sensores
- Circuitos de protección
Estos circuitos suelen funcionar a voltajes más bajos, pero deben permanecer estables mientras el cargador principal conmuta grandes cantidades de energía.
Por lo tanto, la selección de componentes puede incluir circuitos integrados de potencia, MOSFET, transformadores, diodos, condensadores, conectores y componentes de protección.
Este es un ámbito en el que una amplia capacidad de suministro de componentes electrónicos puede resultar útil: el diseño no requiere necesariamente un solo tipo de componente de un solo proveedor.
Cambios en el diseño térmico Selección de componentes
Las pérdidas de energía acaban convirtiéndose en calor.
Esto convierte las condiciones térmicas en un parámetro de selección importante en todo el cargador.
El método de enfriamiento puede incluir:
- Refrigeración por aire forzado
- Platos fríos
- Refrigeración líquida
- disipadores de calor
- Estructuras de refrigeración integradas
Es necesario evaluar el rendimiento térmico del componente junto con su punto de funcionamiento eléctrico.
Por ejemplo, reducir las pérdidas en los semiconductores puede disminuir la necesidad de refrigeración, pero una mayor frecuencia de conmutación puede introducir pérdidas diferentes en otras partes del sistema.
Lo mismo se aplica a los condensadores, inductores, conectores y componentes de conmutación.
Por lo tanto, a la hora de seleccionar los componentes, se debe tener en cuenta la trayectoria térmica completa y no solo la temperatura nominal del componente.
Una secuencia de selección práctica
Para los fabricantes de cargadores, un proceso de selección útil puede comenzar con los requisitos del sistema y luego pasar a los componentes individuales.
| Etapa de selección | Preguntas principales |
|---|---|
| Clasificación del cargador | ¿Cuáles son la potencia de entrada, el voltaje de salida y la corriente de salida? |
| Topología | ¿Qué arquitecturas PFC y DC-DC se están utilizando? |
| Traspuesta | ¿Qué voltaje, corriente y frecuencia de conmutación se requieren? |
| Enlace de CC | ¿Qué capacitancia, corriente de rizado y vida útil se requieren? |
| Componentes magnéticos | ¿Cuáles son los requisitos de corriente, saturación y térmicos? |
| Protección | ¿Qué capacidad de corriente de falla e interrupción se requiere? |
| Detección | ¿Qué precisión, capacidad de respuesta y aislamiento se requieren? |
| Control | ¿Qué controladores, componentes de aislamiento y comunicación son necesarios? |
| Térmico | ¿Cómo se eliminarán las pérdidas de componentes? |
| Fiabilidad | ¿Qué temperatura de funcionamiento, vida útil y condiciones ambientales se aplican? |
Esta secuencia ayuda a evitar la selección de piezas individuales antes de que se conozcan claramente los requisitos eléctricos del cargador completo.
Por qué la selección de componentes debe seguir la función del circuito.
Un cargador rápido de CC puede contener cientos o miles de componentes electrónicos, pero no todos ellos están sometidos al mismo estrés eléctrico.
El semiconductor de potencia experimenta pérdidas por conmutación.
El condensador está sometido a estrés por tensión y corriente de rizado.
El inductor está sometido a tensiones magnéticas y térmicas.
El contactor o relé cumple con los requisitos de conmutación y resistencia.
El sensor cumple con los requisitos de medición y aislamiento.
El controlador y los dispositivos de interfaz se enfrentan a condiciones de señal y comunicación completamente diferentes.
Tratar todos estos componentes como una única categoría de "componente de cargador de vehículos eléctricos" dificulta innecesariamente la selección.
Un mejor enfoque es mapear la función del circuito → condiciones eléctricas → condiciones térmicas → requisitos de confiabilidad → parámetros de los componentes .
Este enfoque también hace que la evaluación de proveedores sea más significativa, ya que los ingenieros pueden comparar los componentes según la aplicación real en lugar de una descripción general del producto.
Cómo armar el conjunto de componentes adecuado para un cargador rápido de CC
La combinación de componentes que requiere un cargador depende de su arquitectura, nivel de potencia y aplicación prevista.
Un cargador de CC para turismos, un sistema de carga comercial de alta potencia y una plataforma de carga de clase megavatio pueden utilizar diferentes combinaciones de dispositivos de potencia, componentes de conmutación, componentes magnéticos, sensores y electrónica de control.
Lo importante es que la selección de componentes debe evolucionar a la par del diseño eléctrico.
Para los fabricantes de cargadores y los equipos de ingeniería, esto también puede simplificar el proceso de abastecimiento. En lugar de buscar componentes aislados uno por uno, se puede revisar la arquitectura eléctrica completa para identificar opciones adecuadas en los circuitos de conversión de energía, protección, detección, control y auxiliares.
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