Pengaktifkan Teknologi untuk pengisi daya EV yang Lebih Cepat, Lebih Aman, dan Berefisiensi Tinggi

Artikel ini membahas teknologi semikonduktor yang menggerakkan pengisi daya EV, termasuk sakelar semikonduktor tegangan tinggi, konverter daya, dan tahapan daya kompleks multi-level.

Karena jumlah kendaraan listrik (EV) meningkat, ada kebutuhan yang meningkat untuk menciptakan sistem infrastruktur pengisian daya yang lebih hemat energi yang dapat mengisi daya kendaraan lebih cepat daripada sebelumnya. EV baru memiliki rentang yang lebih tinggi dan kapasitas baterai yang lebih besar daripada pendahulunya, sehingga memerlukan pengembangan solusi pengisian daya DC cepat untuk mendukung persyaratan pengisian daya cepat. Dibutuhkan sekitar 30 menit untuk stasiun pengisian 150 atau 200 kW untuk mengisi daya EV hingga 80%, yang merupakan daya yang cukup untuk menempuh jarak sekitar 250 km. Stasiun pengisi daya DC yang cepat, menurut standar Sistem Pengisian Gabungan dan Charge de Move, dapat menghasilkan daya hingga 400 kW.

Hari ini, kita akan melihat teknologi semikonduktor yang mendorong pengisi daya lebih cepat, lebih aman, dan lebih efisien:

• Sakelar semikonduktor tegangan tinggi (transistor bipolar gerbang terisolasi [IGBT] dan silikon karbida [SiC]) menaikkan tegangan bus (800 V atau 1.000 V) dalam sistem. Dengan peningkatan voltase sistem, muncul kebutuhan akan teknologi isolasi untuk memastikan keamanan dan keandalan secara keseluruhan.
• Saat konverter daya mampu mengubah frekuensi dengan lebih cepat (ratusan kilohertz hingga beberapa megahertz), beroperasi pada frekuensi tinggi ini mengurangi ukuran komponen magnetik dan perangkat pasif lainnya yang digunakan di sirkuit, yang kemudian mengurangi biaya sistem dan meningkatkan keseluruhan kepadatan daya. Oleh karena itu, diperlukan sensor arus dan tegangan bandwidth tinggi untuk mengontrol dan melindungi tahapan daya digital secara akurat.
• Efisiensi yang lebih tinggi memerlukan penggunaan tahapan daya kompleks bertingkat, yang pada gilirannya memerlukan driver gerbang terisolasi bertegangan tinggi untuk secara efisien mengalihkan tahapan daya ini dan mengurangi kerugian switching keseluruhan, sementara juga menyertakan isolasi yang diperkuat dan fitur perlindungan hubung singkat .

Mari kita lihat lebih dalam pada pendukung teknologi ini.

Teknologi Isolasi

Kepatuhan keselamatan sangat penting dalam pengisi daya EV karena mereka secara langsung berinteraksi dengan jaringan utilitas. Isolasi diperlukan untuk memastikan keselamatan operator, untuk melindungi prosesor dari kerusakan pada sistem konverter daya tegangan tinggi, dan untuk mencegah loop arde dan potensi perbedaan antara subsistem komunikasi yang berbeda. Pengontrol daya dengan arsitektur kontrol sisi sekunder memerlukan isolasi tidak hanya di tahap daya (melalui transformator isolasi) tetapi juga di sirkuit penggerak pengontrol dan sirkuit pengkondisi sinyal terkait.

Gangguan kebisingan yang disebabkan oleh tindakan switching dari konverter daya dapat mempengaruhi kinerja sistem secara negatif. Misalnya, ketika transien dari peralihan konverter daya terjadi, laju perubahan tegangan yang tinggi dapat menyebabkan tegangan transien pada jalur sinyal dan menciptakan transien tegangan mode umum yang memerlukan isolator dengan imunitas transien mode umum (CMTI) yang tinggi untuk menjaga integritas sinyal. .

Peningkatan tegangan tautan DC di stasiun pengisian EV juga menunjukkan pentingnya isolasi yang diperkuat untuk keselamatan dan keandalan operator. Tergantung pada tegangan operasi, ada tiga kelas dasar isolasi:fungsional, dasar dan diperkuat. Isolasi fungsional, juga disebut isolasi operasional, tidak melindungi atau mengisolasi dari sengatan listrik, tetapi diperlukan agar produk dapat berfungsi. Isolasi dasar adalah isolasi tingkat tunggal yang memberikan perlindungan dasar terhadap kejutan. Isolasi yang diperkuat adalah sistem isolasi tunggal yang memberikan perlindungan sengatan listrik yang setara dengan isolasi ganda.

Berbagai teknologi isolasi dimungkinkan untuk semikonduktor:

• Isolasi optik menggunakan transfer cahaya LED melintasi penghalang isolasi nonkonduktif transparan. Keuntungan utamanya adalah nilai isolasi listrik yang tinggi dan biaya rendah. Namun, isolasi optik juga memiliki waktu propagasi yang lama, kekebalan kebisingan yang rendah, arus diam yang lebih tinggi, dan degradasi isolasi yang cepat dengan suhu dan usia. Keterbatasan ini membatasi teknologi isolasi optik untuk konverter daya berkecepatan rendah yang sensitif terhadap biaya.
• Isolasi magnetik menggunakan transfer kopling induktif menggunakan desain kumparan transformator dan memberikan isolasi tinggi pada frekuensi tinggi. Ini memberikan waktu propagasi yang lebih baik dibandingkan dengan teknologi optik tetapi memiliki masalah kebisingan elektromagnetik yang tinggi, kekebalan kebisingan yang rendah, dan degradasi isolasi dengan suhu dan kelembaban.
• Isolasi kapasitif menggunakan medan listrik yang berubah untuk mengirimkan energi melalui kapasitansi. Keuntungan dari teknologi ini adalah kemampuannya untuk beroperasi pada kecepatan tinggi dan paketnya yang relatif kecil. Ini memiliki keandalan tertinggi dengan stabilitas insulasi terbaik terhadap suhu, bersama dengan CMTI tinggi dan emisi radiasi rendah.

Gambar 1 menunjukkan isolasi kapasitif, yang digunakan Texas Instruments pada driver gerbang terisolasi, amplifier, dan isolator digitalnya.

Gambar 1. Isolasi kapasitif

Penginderaan Arus dan Tegangan Bandwidth Tinggi

Aplikasi pengisi daya EV menggunakan sensor arus dan tegangan untuk tiga fungsi utama:pemantauan, perlindungan, dan kontrol. Dalam pengisi daya EV, konversi energi dari jaringan biasanya terjadi dalam dua tahap. Tahap koreksi faktor daya mengubah tegangan jaringan menjadi tegangan tautan DC yang stabil. Kemudian tahap DC/DC mengubah tegangan DC menjadi tegangan yang sesuai untuk paket baterai EV.

Gambar 2 adalah diagram blok stasiun pengisian EV, dengan lokasi sensor arus ditandai sebagai A dan lokasi sensor tegangan ditandai sebagai V.

Gambar 2. Diagram blok stasiun pengisian EV

Meningkatnya penggunaan sakelar SiC dan galium nitrida (GaN) di tahap daya telah memungkinkan peningkatan frekuensi operasi (ratusan kilohertz hingga beberapa megahertz) sambil menawarkan peningkatan efisiensi dan kepadatan daya yang lebih tinggi. Tahap daya ini memerlukan penginderaan akurat dari arus switching cepat untuk pengoperasian loop kontrol yang andal guna memastikan pengoperasian konverter yang stabil. Waktu respons yang cepat, operasi linier pada suhu berlebih, dan pendeteksian arus dan tegangan yang akurat sangat penting untuk semua sistem daya tinggi dengan tahapan tegangan tinggi.

Teknologi semikonduktor yang membantu penginderaan arus secara luas dapat diklasifikasikan ke dalam metode penginderaan langsung dan tidak langsung. Metode langsung termasuk penginderaan berbasis resistor shunt dengan menggunakan penguat terisolasi atau modulator delta sigma terisolasi. Penurunan tegangan pada resistor shunt, yang biasanya 50 mV atau 250 mV (untuk menjaga kerugian resistansi arus seminimal mungkin), membentuk input ke tahap ini.

Untuk amplifier terisolasi, amplifikasi skala dari sinyal tegangan rendah dikirim ke pengontrol eksternal untuk melakukan pengukuran arus yang tepat pada rel tegangan tinggi sambil mempertahankan isolasi listrik.

Modulator sigma-delta yang terisolasi memodulasi penurunan tegangan melintasi shunt langsung ke bitstream digital yang ketika langsung dihubungkan dengan periferal sigma-delta mikrokontroler memungkinkan bandwidth yang jauh lebih tinggi. Bandwidth sinyal yang lebih tinggi memastikan pengukuran arus yang cepat dan tepat serta representasi sinyal switching yang akurat untuk mengontrol tingkat daya konverter.

Penginderaan berbasis shunt lebih disukai karena metode ini dapat mencapai akurasi DC yang lebih baik pada suhu dibandingkan dengan solusi berbasis efek Hall dengan kalibrasi satu kali dasar. Solusi berbasis shunt jauh lebih akurat, terutama pada arus rendah, karena sensitivitasnya yang terbatas terhadap medan magnet eksternal. Solusi berbasis shunt linier pada seluruh rentang tegangan, terutama pada persimpangan nol dan dekat daerah saturasi inti magnetik. Solusi ini juga menawarkan isolasi yang diperkuat hingga 5 kV dan faktor bentuk yang lebih kecil dibandingkan dengan sensor efek Hall.

Metode tidak langsung melibatkan penginderaan medan magnet di sekitar konduktor pembawa arus. Misalnya, sensor efek Hall memberikan pengukuran tidak langsung dari medan magnet yang dihasilkan di sekitar konduktor dengan merasakan arus yang mengalir melaluinya. Sensor efek Hall loop terbuka tersedia dengan bandwidth hingga 1 MHz. Sensor loop tertutup memiliki bandwidth 350 kHz dan memberikan kinerja yang lebih baik dibandingkan dengan sensor efek Hall loop terbuka, tetapi juga lebih mahal.

Mengingat bandwidth dan waktu responsnya yang unggul, sensor efek Hall loop terbuka dan tertutup memberikan perlindungan yang lebih baik untuk sakelar SiC melalui solusi shunt selama kondisi hubung singkat, terutama ketika diaktifkan pada frekuensi tinggi. Tahanan korsleting waktu sakelar SiC biasanya 1-3 s dan akan membutuhkan deteksi cepat untuk mencegah korsleting. Penurunan tegangan pada shunt inline menghasilkan disipasi termal dan rugi-rugi daya jika dibandingkan dengan solusi berbasis efek Hall, terutama ketika arus terukur meningkat.

Pengemudi Gerbang Terisolasi

Driver gerbang berkecepatan tinggi sangat penting untuk membangun modul daya yang memiliki efisiensi tinggi, kepadatan daya tinggi, serta andal dan kokoh. Antarmuka driver gerbang antara modulator lebar pulsa pada pengontrol dan sakelar daya tinggi. Modul daya berbasis SiC-/IGBT berdaya tinggi memerlukan driver gerbang dengan kemampuan untuk mengalirkan dan menenggelamkan arus puncak pada kecepatan yang sangat tinggi, meminimalkan waktu transisi turnon dan turnoff dan dengan demikian meminimalkan kerugian switching. Pengemudi gerbang harus:

• Bersikaplah fleksibel untuk menggunakan driver yang sama dengan voltase pengoperasian yang lebar dan jenis sakelar daya yang berbeda.
• Kuat untuk beroperasi di lingkungan yang bising dan kondisi suhu ekstrem.
• Memiliki penundaan propagasi turnon minimum untuk memungkinkan peralihan yang lebih cepat dari transistor efek medan (FET), meminimalkan waktu konduksi dioda bodi dan dengan demikian meningkatkan efisiensi.
• Memiliki pencocokan penundaan yang baik untuk memastikan penggerak transistor efek medan semikonduktor oksida logam paralel (MOSFET) dengan perbedaan penundaan pengaktifan yang minimal.

Untuk aplikasi tegangan tinggi, driver gerbang terisolasi yang diperkuat memberikan peningkatan ketahanan sistem terhadap lonjakan (CMTI), arus bocor yang disebabkan oleh perbedaan potensial, dan peristiwa anomali lainnya yang mengancam untuk merusak sistem.

Tergantung pada penempatan pengontrol, kemungkinan diperlukan isolasi antara pengontrol dan pengemudi. Metode tradisional untuk isolasi adalah dengan menggunakan transformator terpisah dengan penggerak gerbang yang tidak terisolasi. Driver gerbang terintegrasi memiliki penundaan propagasi yang serupa atau lebih baik daripada solusi transformator diskrit saat mengambil area sebanyak 50% lebih sedikit. Selanjutnya, driver gerbang terintegrasi dapat disesuaikan untuk menghasilkan CMTI lebih besar dari 100 V/ns, angka yang jauh lebih tinggi daripada yang dapat dicapai oleh solusi diskrit. CMTI adalah parameter kunci yang menentukan kekokohan pengemudi gerbang.

Fitur perlindungan di driver gerbang diperlukan untuk pengoperasian konverter yang andal. Karena manfaat peningkatan kepadatan dan efisiensi daya, SiC dan GaN telah menjadi pengganti potensial untuk IGBT silikon untuk berbagai aplikasi. MOSFET SiC memiliki persyaratan perlindungan hubung singkat yang lebih ketat; waktu tahan hubung singkat adalah 1 hingga 3 s dibandingkan dengan IGBT, yaitu sekitar 10 s. Pin DESAT yang terintegrasi dengan driver gerbang sangat penting untuk memberikan respons cepat dalam mendeteksi korsleting. Penguncian tegangan rendah terintegrasi dan penjepit Miller aktif juga penting dalam mencegah penyalaan palsu pada FET yang digunakan dalam aplikasi setengah jembatan.

Kebutuhan akan pengisi daya cepat DC portabel dengan pendinginan konveksi alami (yang dapat dengan mudah diambil dan disimpan di belakang bagasi EV) mendorong batas desain pengisi daya EV dengan kepadatan dan efisiensi daya yang canggih. Sakelar berbasis GaN dengan driver gerbang terintegrasi menawarkan resistansi aktif, peralihan cepat, dan kapasitansi keluaran rendah, membantu desain pengisi daya EV dengan peningkatan hingga sepertiga dalam kepadatan daya. Arsitektur resonansi yang biasa digunakan pada pengisi daya EV juga memanfaatkan switching tegangan nol dan arus nol yang mengurangi kerugian switching dan meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.

Kesimpulan

Kepadatan, keandalan, dan ketahanan daya tinggi menjadi semakin penting dalam konverter daya yang digunakan di stasiun pengisian EV. Dengan meningkatnya tingkat daya dan tegangan, penting untuk melindungi manusia serta peralatan dari kondisi operasional yang berbahaya.

Produsen yang menargetkan pengisi daya berdensitas tinggi dan efisien akan menggunakan konverter daya berbasis IGBT, SiC, dan GaN dengan frekuensi peralihan dari ratusan kilohertz ke beberapa megahertz. Sensor arus dan tegangan frekuensi tinggi akan sangat penting untuk pengembangan pada platform ini.

Teknologi smart gate-driver akan memungkinkan level tegangan tinggi yang diperlukan, kecepatan switching yang cepat, dan kebutuhan akan perlindungan yang cepat. Mengingat lompatan yang telah diambil oleh teknologi semikonduktor dalam dekade terakhir, kemungkinan pengisian EV akan segera dapat dilakukan hingga jangkauan penuhnya selama rehat kopi singkat.

Artikel ini ditulis bersama oleh Harish Ramakrishnan, seorang insinyur sistem di Texas Instruments.

Artikel Industri adalah bentuk konten yang memungkinkan mitra industri untuk berbagi berita, pesan, dan teknologi yang bermanfaat dengan pembaca All About Circuits dengan cara yang tidak sesuai dengan konten editorial. Semua Artikel Industri tunduk pada pedoman editorial yang ketat dengan tujuan menawarkan kepada pembaca berita, keahlian teknis, atau cerita yang bermanfaat. Sudut pandang dan pendapat yang diungkapkan dalam Artikel Industri adalah milik mitra dan belum tentu milik All About Circuits atau penulisnya.