Sélection des composants du chargeur rapide CC : adéquation aux exigences de commutation, de protection et de conversion de puissance

Le choix des composants commence par l'architecture électrique du chargeur.

Un chargeur rapide à courant continu contient plusieurs étapes électriques plutôt qu'un seul circuit d'alimentation.

Selon la conception du chargeur, le circuit électrique peut comprendre :

Entrée CA → redressement/PFC → bus CC → conversion CC-CC → commutation de sortie → batterie du véhicule

Autour de ce circuit d'alimentation principal se trouvent des alimentations auxiliaires, des circuits de commande, des interfaces de communication, des circuits de détection et des fonctions de protection.

Chaque section impose des exigences différentes à ses composants.

Un semi-conducteur de puissance dans un étage de correction du facteur de puissance, par exemple, est évalué différemment d'un relais utilisé dans un circuit auxiliaire. Un condensateur de bus DC a des exigences différentes de celles d'un connecteur de sortie ou d'un capteur de courant.

C’est pourquoi le choix des composants est plus utile lorsqu’il part de la fonction de chaque circuit plutôt que d’une catégorie de produits générale.

Semiconducteurs de puissance : adapter le composant à l’étage de commutation

Les semi-conducteurs de puissance figurent parmi les composants les plus critiques d'un chargeur rapide CC.

Selon la topologie et le niveau de puissance, le chargeur peut utiliser des IGBT, des MOSFET en silicium, des MOSFET SiC, des diodes ou des modules de puissance intégrés.

Les dispositifs en carbure de silicium (SiC) sont de plus en plus utilisés pour la charge haute puissance, car leurs caractéristiques de commutation et de conduction permettent d'obtenir un rendement et une densité de puissance supérieurs. Les conceptions de référence industrielles couvrent désormais les étages PFC et DC-DC à base de SiC pour la charge rapide en courant continu.

Mais le choix d'un composant SiC simplement parce que le chargeur est « haute puissance » ne suffit pas.

Les ingénieurs doivent généralement évaluer :

• Tension de blocage
• courant continu et de crête
• Fréquence de commutation
• Perte par conduction
• Perte de commutation
• exigences relatives aux mécanismes d'entraînement de portail
• résistance thermique
• Capacité de court-circuit
• exigences relatives à l'emballage et au montage

Le dispositif approprié dépend de la topologie de commutation spécifique et du point de fonctionnement.

Un appareil sélectionné pour un étage CC-CC haute fréquence peut ne pas être le meilleur choix pour une autre section du chargeur.

Condensateurs du bus DC : l’importance des contraintes électriques

Le condensateur du bus CC se situe entre les principaux étages de conversion et contribue à stabiliser le bus CC intermédiaire.

Sa sélection implique plus que la simple capacité.

Les paramètres importants peuvent inclure :

• Tension nominale
• Courant d'ondulation
• ESR
• Indice de température
• Durée de vie
• Tolérance de capacité
• Dimensions mécaniques
• Méthode de montage

Un courant d'ondulation élevé peut générer un échauffement interne supplémentaire, tandis qu'une température de fonctionnement élevée peut affecter la durée de vie du condensateur.

Cela devient particulièrement important dans les modules de charge compacts haute puissance où la densité de puissance augmente.

Un condensateur présentant une tension nominale appropriée peut néanmoins s'avérer inadapté si sa capacité de courant d'ondulation ou sa durée de vie thermique ne correspondent pas aux conditions de fonctionnement réelles.

Inducteurs et composants magnétiques : au-delà de l’inductance

Les inductances sont utilisées dans plusieurs parties d'un système de charge, notamment pour la correction du facteur de puissance (PFC), le filtrage et la conversion CC-CC.

La valeur nominale de l'inductance ne représente qu'une partie du processus de sélection.

Les ingénieurs devront peut-être également prendre en compte :

• Courant de saturation
• courant RMS
• Perte de noyau
• Perte de cuivre
• Fréquence de commutation
• hausse des températures
• résistance en courant continu
• Taille mécanique

À mesure que la fréquence de commutation et la densité de puissance augmentent, les pertes magnétiques et le comportement thermique deviennent de plus en plus importants.

C’est également pourquoi les composants passifs doivent être évalués conjointement avec les dispositifs de commutation sélectionnés plutôt que d’être traités comme des pièces indépendantes.

Les composants de commutation et de protection nécessitent des critères de sélection différents.

Un chargeur rapide en courant continu nécessite une commutation contrôlée ainsi qu'une protection contre les défauts.

Ces fonctions sont liées, mais elles ne sont pas interchangeables.

Un dispositif de commutation peut être utilisé pour connecter ou déconnecter un circuit en fonctionnement normal, tandis qu'un fusible ou un autre dispositif de protection peut être destiné à interrompre les conditions de courant anormales.

Pour les composants de commutation CC, les ingénieurs peuvent avoir besoin d'évaluer :

• Tension du système
• Courant continu
• Courant de commutation
• caractéristiques de charge
• Conditions d'irruption
• Fréquence de commutation
• endurance électrique
• exigences d'isolement
• Conditions environnementales

Pour les composants de protection, l'évaluation peut plutôt porter sur :

• Tension nominale
• Courant nominal
• Capacité d'interruption
• courant de défaut disponible
• Caractéristiques de pré-amorçage
• Coordination avec les composants en aval
• température d'installation

Une même intensité nominale ne signifie donc pas que deux composants sont interchangeables.

La détection de courant et de tension soutient le système de contrôle

Les chargeurs rapides s'appuient sur des mesures pour contrôler la conversion de puissance et surveiller les conditions de fonctionnement.

Les capteurs de courant et de tension peuvent fournir des informations sur :

• Contrôle de conversion de puissance
• Régulation de la sortie
• Détection de surintensité
• Surveillance des pannes
• Mesure de l'énergie
• Communication avec le contrôleur de chargeur

Le choix du capteur doit prendre en compte la plage de mesure réelle, la précision, le temps de réponse, les exigences d'isolation et l'environnement d'exploitation.

Pour les systèmes CC haute puissance, le capteur doit également être compatible avec la configuration physique et électrique du circuit de courant.

Un composant présentant une bonne précision de mesure sur le papier peut néanmoins engendrer des problèmes d'intégration si sa méthode d'installation, son isolation ou son comportement thermique ne correspondent pas à la conception du chargeur.

Les composants d'isolation et de contrôle font partie du système électrique.

L'étage de puissance ne représente qu'une partie d'un chargeur rapide CC.

Les cartes de contrôle doivent communiquer avec les dispositifs d'alimentation tout en maintenant l'isolation électrique requise.

Selon son architecture, le système peut contenir :

• Moteurs de portail isolés
• isolateurs numériques
• optocoupleurs
• Relais
• Dispositifs de conditionnement du signal
• circuits intégrés d'interface
• Microcontrôleurs
• Composants de communication

Ces composants ne supportent peut-être pas des centaines d'ampères, mais leur fiabilité influe directement sur le contrôle du circuit haute puissance.

À mesure que les dispositifs de commutation deviennent plus rapides, la synchronisation de la commande de grille, les performances d'isolation et l'intégrité du signal deviennent également plus importantes.

Il ne faut pas négliger les alimentations auxiliaires.

Un chargeur rapide à courant continu contient également de nombreux circuits qui fonctionnent en dehors du circuit d'alimentation principal.

L'alimentation auxiliaire peut fournir :

• Cartes de contrôle
• Systèmes de refroidissement
• Contacteurs et relais
• Modules de communication
• Écrans
• Capteurs
• Circuits de protection

Ces circuits fonctionnent souvent à des tensions plus basses, mais ils doivent rester stables pendant que le chargeur principal commute de grandes quantités d'énergie.

Le choix des composants peut donc impliquer des circuits intégrés de puissance, des MOSFET, des transformateurs, des diodes, des condensateurs, des connecteurs et des composants de protection.

C’est un domaine où une large capacité d’approvisionnement en composants électroniques peut s’avérer utile : la conception ne requiert pas nécessairement un seul type de composant provenant d’un seul fournisseur.

Modifications de la conception thermique Sélection des composants

Les pertes d'énergie se transforment finalement en chaleur.

Cela fait des conditions thermiques un paramètre de sélection important pour le chargeur.

La méthode de refroidissement peut impliquer :

• Refroidissement par air pulsé
• plaques froides
• Refroidissement liquide
• dissipateurs thermiques
• structures de refroidissement intégrées

Les performances thermiques du composant doivent être évaluées conjointement à son point de fonctionnement électrique.

Par exemple, la réduction des pertes dans les semi-conducteurs peut réduire les besoins en refroidissement, mais une fréquence de commutation plus élevée peut engendrer des pertes différentes ailleurs dans le système.

Il en va de même pour les condensateurs, les inductances, les connecteurs et les composants de commutation.

Le choix des composants doit donc prendre en compte l'ensemble du chemin thermique et non pas seulement la température nominale du composant.

Une séquence de sélection pratique

Pour les fabricants de chargeurs, un processus de sélection utile peut commencer par les exigences du système et se poursuivre par l'examen des composants individuels.

Cette procédure permet d'éviter de sélectionner des pièces individuelles avant que les exigences électriques du chargeur complet ne soient clairement définies.

Pourquoi le choix des composants doit être guidé par la fonction du circuit

Un chargeur rapide CC peut contenir des centaines, voire des milliers de composants électroniques, mais tous ne sont pas soumis à la même contrainte électrique.

Le semi-conducteur de puissance subit des pertes de commutation.

Le condensateur subit des contraintes de tension et de courant d'ondulation.

L'inducteur subit des contraintes magnétiques et thermiques.

Le contacteur ou le relais est soumis à des exigences de commutation et d'endurance.

Le capteur détecte les exigences de mesure et d'isolation.

Le contrôleur et les dispositifs d'interface sont confrontés à des conditions de signal et de communication totalement différentes.

Le fait de considérer tous ces composants comme une seule et même catégorie de « composant de chargeur pour véhicule électrique » rend la sélection inutilement difficile.

Une meilleure approche consiste à cartographier la fonction du circuit → les conditions électriques → les conditions thermiques → les exigences de fiabilité → les paramètres des composants .

Cette approche rend également l'évaluation des fournisseurs plus pertinente, car les ingénieurs peuvent comparer les composants en fonction de l'application réelle plutôt que d'une description générale du produit.

Choisir les bons composants pour un chargeur rapide CC

La combinaison de composants requise pour un chargeur dépend de son architecture, de son niveau de puissance et de son application cible.

Un chargeur CC pour voiture particulière, un système de charge commercial haute puissance et une plateforme de charge de classe mégawatt peuvent utiliser différentes combinaisons de dispositifs de puissance, de composants de commutation, de composants magnétiques, de capteurs et d'électronique de contrôle.

L'important est que le choix des composants évolue en même temps que la conception électrique.

Pour les fabricants de chargeurs et les équipes d'ingénierie, cela peut également simplifier le processus d'approvisionnement. Au lieu de rechercher des composants isolés un par un, l'architecture électrique complète peut être analysée afin d'identifier les options appropriées pour la conversion de puissance, la protection, la détection, le contrôle et les circuits auxiliaires.

ESHINE prend en charge l'approvisionnement en composants électroniques et la sélection technique pour la recharge des véhicules électriques, l'électronique de puissance et d'autres applications haute puissance, avec des options de composants adaptées aux exigences réelles du circuit.