Inovasi Semikonductor untuk Pengisi Daya EV yang Lebih Cepat, Aman, dan Efisien

Inovasi Semikonductor untuk Pengisi Daya EV yang Lebih Cepat, Aman, dan Efisien

Seiring pertumbuhan armada kendaraan listrik, permintaan akan infrastruktur pengisian daya yang menyampaikan daya dengan cepat, andal, dan dengan kerugian minimal semakin tinggi. EV modern memiliki paket baterai yang lebih besar yang memerlukan solusi pengisian DC cepat. Stasiun 150 atau 200 kW dapat membawa EV ke 80%—cukup untuk sekitar 250 km—dalam sekitar 30 menit, sementara standar Combined Charging System (CCS) dan Charge de Move terbaru mendorong batas hingga 400 kW.

Inovasi semikonductor kunci—sakteg tegangan tinggi, konverter frekuensi tinggi, dan tahap daya multi-level—membuat tingkat performa ini tercapai. Di bawah ini kami memeriksa pengaktif teknologi yang menggabungkan kecepatan, keamanan, dan efisiensi.

• Sakteg Tegangan Tinggi – IGBT dan perangkat SiC sekarang mendukung tegangan bus 800 V atau bahkan 1.000 V, yang meningkatkan kepadatan daya tetapi juga menuntut isolasi yang lebih kuat.
• Konverter Frekuensi Tinggi – Laju switching dari ratusan kHz hingga beberapa MHz menyusutkan komponen magnetik, mengurangi biaya, dan meningkatkan kepadatan. Hal ini memerlukan pengukuran arus/tegangan bandwidth ultra-lebar.
• Tahap Daya Multi-Level – Untuk mendapatkan efisiensi maksimal dari sistem tegangan tinggi, topologi multi-level kompleks bergantung pada driver gate terisolasi yang menjaga kerugian switching rendah sambil menawarkan perlindungan yang kuat.

Teknologi Isolasi

Kepatuhan keamanan sangat penting untuk pengisi daya yang berada langsung pada jaringan listrik. Isolasi melindungi operator, melindungi elektronika kontrol dari transient tegangan tinggi, dan menghilangkan masalah ground-loop. Dalam sistem DC-link tegangan tinggi, tingkat isolasi bervariasi dari fungsional (operasional) hingga reinforced (dobel insulasi) tergantung pada tegangan operasi.

Tiga metode isolasi primer digunakan dalam semikonductor modern:

• Isolasi Optik – Menggunakan photodioda yang diputar LED. Menawarkan isolasi tinggi, biaya rendah, tetapi menderita waktu propagasi panjang dan imunitas kebisingan terbatas.
• Isolasi Magnetik – Menggunakan kopling transformator. Menyediakan isolasi tinggi pada frekuensi tinggi tetapi memperkenalkan kebisingan elektromagnetik dan kehilangan insulasi bergantung pada suhu.
• Isolasi Kapasitif – Mentransmisi energi melalui medan listrik yang berubah. Ini memberikan kecepatan tinggi, imunitas transient common-mode (CMTI) yang luar biasa, dan stabilitas suhu superior—ideal untuk driver gate dan penguat.
  

  Gambar 1. Isolasi kapasitif

Pengukuran Arus dan Tegangan Bandwidth Tinggi

Pengukuran yang akurat sangat penting untuk pemantauan, perlindungan, dan kontrol di setiap tahap aliran daya pengisi daya—dari koreksi faktor daya hingga konversi DC-DC. Gambar 2 mengilustrasikan lokasi pengukuran kunci.

Gambar 2. Diagram blok stasiun pengisian daya EV

Sakteg SiC dan GaN memungkinkan operasi pada frekuensi hingga beberapa megahertz, yang menuntut sensor yang cepat, linier, dan stabil suhu. Dua paradigma pengukuran mendominasi:

• Pengukuran Langsung – Resistor shunt (jatuh tegangan 50 mV atau 250 mV) yang dipasangkan dengan penguat terisolasi atau modulator sigma-delta. Pengukuran shunt menawarkan akurasi DC superior dan linearitas di seluruh rentang, isolasi reinforced hingga 5 kV, dan footprint yang lebih kecil daripada sensor efek Hall.
• Pengukuran Tidak Langsung – Sensor efek Hall mendeteksi medan magnet di sekitar konduktor. Sensor loop terbuka mencapai bandwidth 1 MHz; sensor loop tertutup (350 kHz) memberikan presisi yang lebih baik dengan biaya lebih tinggi. Sensor Hall unggul dalam deteksi rangkaian pendek, yang penting untuk sakteg SiC yang hanya dapat menahan 1–3 µs sebelum gangguan.

Driver Gate Terisolasi

Driver gate menghubungkan modulator lebar pulsa dan sakteg daya tinggi. Mereka harus menyediakan dan menyerap arus puncak pada tingkat gigahertz, menjaga penundaan propagasi rendah, dan mencocokkan waktu drive untuk MOSFET paralel. Untuk aplikasi tegangan tinggi, isolasi reinforced melindungi dari transient common-mode (CMTI > 100 V/ns) dan kebocoran.

Fitur kunci untuk pengisi daya generasi mendatang meliputi:

• Fleksibilitas tegangan luas dan kompatibilitas dengan perangkat IGBT, SiC, dan GaN.
• Ketahanan terhadap EMI dan suhu tinggi.
• Pin DESAT terintegrasi dan clamp Miller aktif untuk deteksi rangkaian pendek yang cepat dan pencegahan turn-on palsu.
• Resistensi on rendah dan kapasitansi output rendah untuk meningkatkan kepadatan daya hingga 33%—terutama berharga untuk pengisi daya DC cepat portabel yang mengandalkan pendingin konveksi alami.

Arsitektur resonan, digabungkan dengan switching tegangan nol dan arus nol, lebih menekan kerugian switching, meningkatkan efisiensi keseluruhan.

Kesimpulan

Seiring kenaikan tingkat daya dan tegangan pengisi daya, kebutuhan akan konverter daya yang padat, andal, dan aman semakin intens. Produsen beralih dari IGBT konvensional ke perangkat SiC dan GaN, yang beroperasi pada frekuensi ratusan kHz hingga megahertz. Digabungkan dengan sensor bandwidth tinggi dan driver gate terisolasi canggih, teknologi-teknologi ini membuatnya realistis untuk mengisi daya EV hingga rentang penuh dalam waktu secepat istirahat kopi cepat.

Ditulis bersama oleh Harish Ramakrishnan, Sistem Insinyur, Texas Instruments.

Industry Articles memberikan mitra wawasan teknis. Semua pandangan mencerminkan penulis, bukan All About Circuits.