Выбор компонентов для быстрого зарядного устройства постоянного тока: соответствие требованиям к импульсным характеристикам, защите и преобразованию энергии.

Выбор компонентов начинается с электрической архитектуры зарядного устройства.

Быстрозарядное устройство постоянного тока содержит несколько электрических ступеней, а не одну единственную силовую цепь.

В зависимости от конструкции зарядного устройства, электрическая цепь может включать в себя:

Вход переменного тока → выпрямление/коррекция коэффициента мощности → звено постоянного тока → преобразование постоянного тока → переключение выхода → автомобильный аккумулятор

Вокруг этого основного силового тракта расположены вспомогательные источники питания, цепи управления, интерфейсы связи, цепи датчиков и защитные устройства.

Каждый раздел предъявляет различные требования к своим компонентам.

Например, силовой полупроводник на этапе коррекции коэффициента мощности оценивается иначе, чем реле, используемое во вспомогательной цепи. К конденсатору звена постоянного тока предъявляются иные требования, чем к выходному разъему или датчику тока.

Поэтому выбор компонентов более эффективен, если начинать его с определения функционального назначения каждой схемы, а не с общей категории товаров.

Силовые полупроводники: согласование устройства с каскадом переключения.

Силовые полупроводники являются одними из наиболее важных компонентов в быстрозарядном устройстве постоянного тока.

В зависимости от топологии и уровня мощности, в зарядном устройстве могут использоваться IGBT-транзисторы, кремниевые MOSFET-транзисторы, SiC MOSFET-транзисторы, диоды или интегрированные силовые модули.

Устройства на основе карбида кремния (SiC) все чаще используются в системах зарядки высокой мощности, поскольку их характеристики переключения и проводимости позволяют достичь более высокой эффективности и плотности мощности. В настоящее время в отрасли используются эталонные конструкции на основе SiC для коррекции коэффициента мощности (PFC) и преобразователей постоянного тока (DC-DC) для быстрой зарядки постоянным током.

Но выбирать SiC-устройство только потому, что зарядное устройство обладает «высокой мощностью», недостаточно.

Инженерам обычно необходимо оценить:

• Блокирующее напряжение
• Постоянный и пиковый ток
• Частота переключения
• Потери проводимости
• Потери при переключении
• Требования к приводу ворот
• Термостойкость
• Возможность короткого замыкания
• Требования к упаковке и монтажу

Выбор подходящего устройства зависит от конкретной топологии переключения и рабочей точки.

Устройство, выбранное для высокочастотного преобразователя постоянного тока, может оказаться не лучшим выбором для другой секции зарядного устройства.

Конденсаторы постоянного тока: электрическая нагрузка имеет значение.

Конденсатор звена постоянного тока расположен между основными ступенями преобразования и помогает стабилизировать промежуточную шину постоянного тока.

При выборе параметра учитывается не только емкость.

Важные параметры могут включать:

• Номинальное напряжение
• Пульсация
• ESR
• Температурный диапазон
• Продолжительность жизни
• Допуск по емкости
• Механические размеры
• Способ крепления

Высокий пульсирующий ток может вызывать дополнительный внутренний нагрев, а повышенная рабочая температура может сократить срок службы конденсатора.

Это становится особенно важным в компактных мощных зарядных модулях, где плотность мощности возрастает.

Конденсатор с подходящим номинальным напряжением может оказаться непригодным, если его способность выдерживать пульсации тока или срок службы при высоких температурах не соответствуют фактическим условиям эксплуатации.

Индукторы и магнитные компоненты: взгляд за пределы индуктивности.

Индукторы используются в различных частях системы зарядки, включая коррекцию коэффициента мощности (PFC), фильтрацию и преобразование постоянного тока в постоянный.

Номинальное значение индуктивности — это лишь один из аспектов процесса выбора.

Инженерам также следует учитывать следующее:

• Ток насыщения
• среднеквадратичное значение тока
• Потери в ядре
• потери меди
• Частота переключения
• повышение температуры
• сопротивление постоянному току
• Механический размер

По мере увеличения частоты переключения и плотности мощности магнитные потери и тепловые характеристики приобретают все большее значение.

Именно поэтому пассивные компоненты следует оценивать вместе с выбранными коммутирующими устройствами, а не рассматривать как отдельные элементы.

Для компонентов коммутации и защиты требуются разные критерии выбора.

Для быстрого зарядного устройства постоянного тока необходимы контролируемое переключение, а также защита от неисправностей.

Эти функции взаимосвязаны, но не взаимозаменяемы.

Коммутирующее устройство может использоваться для подключения или отключения цепи во время нормальной работы, в то время как предохранитель или другое защитное устройство может быть предназначено для прерывания ненормальных токовых условий.

При оценке компонентов для коммутации постоянного тока инженерам может потребоваться провести следующие исследования:

• Системное напряжение
• Постоянный ток
• Коммутируемый ток
• Характеристики нагрузки
• Условия набега
• Частота переключения
• Электрическая стойкость
• Требования к изоляции
• Условия окружающей среды

В случае защитных компонентов оценка может быть сосредоточена на следующих аспектах:

• Номинальное напряжение
• Номинальный ток
• Прерываемая способность
• Доступный ток короткого замыкания
• Характеристики предварительного образования дуги
• Координация с компонентами, расположенными ниже по цепочке поставок.
• Температура установки

Таким образом, одинаковый номинальный ток не означает, что два компонента взаимозаменяемы.

Датчики тока и напряжения поддерживают работу системы управления.

В системах быстрой зарядки для управления преобразованием энергии и мониторинга условий эксплуатации используются методы измерения.

Датчики тока и напряжения могут предоставлять обратную связь по следующим параметрам:

• управление преобразованием энергии
• Регулирование выпуска продукции
• Обнаружение перегрузки по току
• Мониторинг неисправностей
• Измерение энергии
• Связь с контроллером зарядного устройства

При выборе датчика следует учитывать фактический диапазон измерений, точность, время отклика, требования к изоляции и условия эксплуатации.

Для мощных систем постоянного тока датчик также должен соответствовать физической и электрической конфигурации пути протекания тока.

Компонент, обладающий хорошей точностью измерений на бумаге, тем не менее, может создавать проблемы при интеграции, если способ его установки, изоляция или тепловые характеристики не соответствуют конструкции зарядного устройства.

Компоненты изоляции и управления являются частью энергосистемы.

Силовой каскад — это лишь одна из составляющих устройства быстрого зарядного устройства постоянного тока.

Платы управления должны взаимодействовать с силовыми устройствами, обеспечивая при этом необходимую электрическую изоляцию.

В зависимости от архитектуры система может содержать:

• Изолированные драйверы затвора
• Цифровые изоляторы
• Оптопары
• Эстафеты
• Устройства обработки сигналов
• Интерфейсные микросхемы
• Микроконтроллеры
• Компоненты связи

Эти компоненты, возможно, и не выдерживают сотни ампер, но их надежность напрямую влияет на управление мощной цепью.

По мере увеличения скорости работы коммутирующих устройств возрастают также значение синхронизации управления затвором, характеристик изоляции и целостности сигнала.

Не следует пренебрегать дополнительными источниками питания.

Быстрозарядное устройство постоянного тока также содержит множество цепей, работающих вне основного цепи питания.

Вспомогательное электропитание может обеспечивать:

• Панели управления
• Системы охлаждения
• Контакторы и реле
• Коммуникационные модули
• Дисплеи
• Датчики
• Защитные цепи

Эти схемы часто работают при более низких напряжениях, но им необходимо сохранять стабильность, пока основное зарядное устройство переключает большие объемы мощности.

Таким образом, выбор компонентов может включать силовые интегральные схемы, МОП-транзисторы, трансформаторы, диоды, конденсаторы, разъемы и защитные компоненты.

Это одна из областей, где широкие возможности поставок электронных компонентов могут быть полезны: для проектирования не обязательно требуется один тип компонентов от одного поставщика.

Изменения в тепловой конструкции. Выбор компонентов.

Потери мощности в конечном итоге преобразуются в тепло.

Поэтому температурные условия являются важным параметром выбора при выборе зарядного устройства.

Метод охлаждения может включать в себя:

• Принудительное воздушное охлаждение
• Холодные тарелки
• Жидкостное охлаждение
• Радиаторы охлаждения
• Интегрированные системы охлаждения

Необходимо оценивать тепловые характеристики компонента вместе с его электрической рабочей точкой.

Например, снижение потерь в полупроводниковых компонентах может уменьшить потребность в охлаждении, но более высокая частота переключения может привести к другим потерям в других частях системы.

То же самое относится к конденсаторам, индукторам, разъемам и коммутационным компонентам.

Поэтому при выборе компонентов следует учитывать весь тепловой путь, а не только номинальную температуру компонента.

Практическая последовательность отбора

Для производителей зарядных устройств полезный процесс выбора может начинаться с определения системных требований, а затем переходить к отдельным компонентам.

Такая последовательность действий помогает избежать выбора отдельных компонентов до того, как станут ясны электрические требования всего зарядного устройства.

Почему выбор компонентов должен соответствовать функциональности схемы?

Быстрозарядное устройство постоянного тока может содержать сотни или тысячи электронных компонентов, но не все из них подвергаются одинаковой электрической нагрузке.

В силовых полупроводниках наблюдаются потери при переключении.

Конденсатор подвергается воздействию напряжения и пульсаций тока.

Индуктор подвергается магнитному и тепловому воздействию.

Контактор или реле отвечает за коммутацию и долговечность.

Датчик определяет требования к измерению и изоляции.

Контроллер и интерфейсные устройства работают в совершенно разных условиях передачи сигналов и связи.

Рассматривая все эти компоненты как единую категорию «компоненты зарядного устройства для электромобилей», выбор становится излишне сложным.

Более эффективный подход заключается в построении карты, включающей : функцию цепи → электрические условия → тепловые условия → требования к надежности → параметры компонентов .

Такой подход также делает оценку поставщиков более осмысленной, поскольку инженеры могут сравнивать компоненты в соответствии с реальным применением, а не на основе общего описания продукта.

Как подобрать правильный набор компонентов для быстрого зарядного устройства постоянного тока

Необходимый для зарядного устройства набор компонентов зависит от его архитектуры, уровня мощности и целевого применения.

В зарядном устройстве постоянного тока для легковых автомобилей, мощной коммерческой системе зарядки и зарядной платформе мегаваттного класса могут использоваться различные комбинации силовых устройств, коммутирующих компонентов, магнитных компонентов, датчиков и управляющей электроники.

Важно понимать, что выбор компонентов должен меняться вместе с электрической схемой.

Для производителей зарядных устройств и инженерных групп это также может упростить процесс поиска поставщиков. Вместо того чтобы искать отдельные компоненты по одному, можно проанализировать всю электрическую архитектуру, чтобы определить подходящие варианты для цепей преобразования энергии, защиты, датчиков, управления и вспомогательных цепей.

ESHINE оказывает поддержку в поиске и техническом подборе электронных компонентов для зарядных устройств электромобилей, силовой электроники и других мощных приложений, предлагая варианты компонентов, соответствующие фактическим требованиям схемы.