Технические соображения и компоненты, необходимые для разработки высокопроизводительной беспроводной системы зарядки электромобилей — Заряженные электромобили

Выбросьте вилку! Сделайте беспроводную зарядку электромобилей реальностью прямо сейчас!

Уникальные компоненты обеспечивают безопасность, эффективность и надежность..

Представьте себе процесс зарядки электромобиля, который так же прост и интуитивно понятен, как парковка автомобиля: просто «припаркуйся, зарядись и вперед». Для конечного пользователя привлекательность очевидна:

• Больше никаких тяжелых кабелей
• Никаких возни с разъемами
• Не подвергайтесь воздействию потенциально грязного или поврежденного зарядного оборудования.

Владельцы электромобилей планируют заехать в свой гараж, на специально отведенное место для парковки или на общественную зарядную станцию ​​и легко зарядить свой автомобиль, даже не покидая водительского сиденья. Это удобство делает ежедневную зарядку более удобной и повышает безопасность за счет полного удаления физических разъемов.

Понимание этой концепции, ориентированной на пользователя, имеет решающее значение для разработчиков беспроводных систем зарядки электромобилей. Обеспечивая эффективную, надежную и быструю беспроводную зарядку, дизайнеры могут получить революционное преимущество, сочетающее в себе простоту, комфорт и спокойствие для водителей электромобилей.

В то время как нынешние беспроводные зарядные устройства для электромобилей могут обеспечивать мощность до 20 кВт для зарядки аккумуляторов за четыре-шесть часов, будущие беспроводные зарядные устройства будут выдавать мощность 100 кВт и смогут увеличивать уровень заряда аккумулятора на 50 процентов менее чем за 20 минут.¹

Чтобы ускорить внедрение, беспроводные зарядные станции должны быть быстрыми, безопасными, эффективными и надежными.

В этой статье рассматриваются технические соображения и инновационные подходы, необходимые для достижения этого опыта, гарантируя, что решения для беспроводной зарядки соответствуют производительности и ожиданиям пользователей в постоянно развивающемся мире электромобилей. В нем представлены четыре компонента, которые удовлетворяют основные потребности в создании конструкций, обеспечивающих защиту цепи зарядного устройства, контроль безопасности и быструю и эффективную подачу энергии.

Описание беспроводного зарядного устройства

Беспроводное зарядное устройство представляет собой преобразователь переменного тока в переменный, который преобразует мощность 50/60 Гц в мощность в диапазоне частот 130 кГц. Резонансная частота зависит от топологии и технологии силовых полупроводников (Si/SiC/GaN). Подаваемая мощность может достигать 20 кВт. На рисунке 1 показано беспроводное зарядное устройство и его нагрузка — электромобиль. Также определены основные блоки цепей питания и управления в зарядном устройстве и автомобиле.

Соображения безопасности и надежности включают защиту от перегрузки по току, защиту от перенапряжения, перегрев и контроль тока заземления. Оптимизация эффективности требует разработки с использованием компонентов с низкими потерями мощности. На рисунке 2 показаны компоненты, обеспечивающие защиту и высокую эффективность схем типичной конструкции беспроводного зарядного устройства. Датчики обеспечивают контроль температуры и защиту доступа к корпусу.

На рисунках 3 и 4 показан пример беспроводного зарядного устройства в более подробной блок-схеме. В соседней таблице на рисунке 3 перечислены компоненты, обеспечивающие зарядное устройство защитой от поражения электрическим током. На рисунке 4 в первую очередь показаны компоненты, обеспечивающие эффективность и критическое восприятие.

Компоненты защиты цепи и безопасности

Схема защиты входа содержит основные компоненты защиты от перегрузки по току и перегрева. Рекомендуемые компоненты включают сильноточный предохранитель для схемы подачи питания и быстродействующий предохранитель для защиты маломощного вспомогательного источника питания и схемы управления. Металлооксидный варистор (MOV), включенный последовательно с газоразрядной трубкой, поглощает переходные процессы перенапряжения. Переходные процессы перенапряжения возникают из-за молнии, которая может вызвать скачок напряжения на входных линиях переменного тока. Кроме того, включение и выключение электрических нагрузок может вызвать скачки напряжения в сети переменного тока.

Специальным компонентом, который может улавливать части переходного напряжения, проходящего через MOV и газоразрядную трубку, является диод подавления переходного напряжения (TVS). TVS-диоды имеют более низкое напряжение фиксации и работают намного быстрее, чем MOV-устройства. Специальные диоды могут обеспечить защиту последующих цепей. Они могут поглотить импульс силой один кА и отреагировать на переходный процесс менее чем за одну наносекунду. TVS-диоды могут обеспечить защиту от ударов электростатического разряда (ESD) по воздуху до 15 кВ и от прямых контактных разрядов до 8 кВ. Доступны двунаправленные модели и модели, размер которых составляет менее одной десятой размера традиционных дискретных решений. TVS-диоды могут иметь форм-фактор с осевым выводом или для поверхностного монтажа. На рис. 5 показан TVS-диод и его функциональная схема с использованием TVS-диод серии AK1-Y от Littelfuse в качестве примера. Этот компонент обеспечит необходимую защиту как от электростатического разряда, так и от других переходных процессов, чтобы избежать повреждения полупроводниковых схем беспроводного зарядного устройства.

В таких системах, как беспроводные зарядные устройства для электромобилей, мониторинг токов заземления имеет важное значение для защиты персонала. Схема защиты от замыкания на землю выполняет функцию контроля тока заземления. Компания Littelfuse предлагает новые устройства контроля остаточного тока для этой цепи, которые обнаруживают как переменные, так и постоянные токи замыкания на землю. Новая серия, Серия мониторов остаточного тока RCMP20 для Режим 2 и Режим 3 беспроводные зарядные станции имеют самую большую апертуру трансформатора тока для поддержки более высоких зарядных токов переменного тока. Устройство контроля остаточного тока имеет типичные чувствительные пороги срабатывания 4,5 мА постоянного тока и 22 мА переменного тока. Кроме того, в мониторах используются встроенные проводники с большей площадью поперечного сечения, чтобы обеспечить лучшее управление температурным режимом и снизить повышение температуры печатной платы (PCB). В результате получается более компактная и надежная конструкция, не ухудшающая производительность. Кроме того, мониторы обладают высокой устойчивостью к электромагнитным помехам (EMI), что повышает надежность цепи зарядного устройства и сводит к минимуму ложные срабатывания цепи. Мониторы можно устанавливать как горизонтально, так и вертикально, что позволяет дизайнерам оптимизировать использование пространства. На рис. 6 показаны модели серии мониторов остаточного тока. (Посмотреть видео.)

Компоненты для максимизации эффективности и надежности

Такие системы, как системы беспроводной зарядки, потребляют значительное количество энергии. Оптимизация конструкции с целью повышения эффективности снижает энергопотребление и затраты на коммунальные услуги, а также уменьшает выделение тепла. Снижение выделяемого тепла снижает повышение внутренней температуры в системе и повышает ее надежность. Использование двух компонентов в схеме подачи питания может способствовать повышению эффективности и надежности. Двумя компонентами являются драйверы затворов и SiC MOSFET.

Драйверы затвора управляют силовыми SiC MOSFET и IGBT в схемах безмостового, венского или повышающего выпрямителя, а также полномостового резонансного высокочастотного преобразователя. Драйверы имеют отдельные выходы источника и потребителя на 9 А, что позволяет программировать время включения и выключения, минимизируя при этом потери на переключение. Внутренний регулятор отрицательного заряда обеспечивает возможность выбора отрицательного смещения управления затвором для повышения устойчивости к dV/dt и более быстрого выключения. Драйверы затворов минимизируют время переключения благодаря времени задержки включения и выключения, обычно составляющему 70 и 65 наносекунд. Типичное значение выходных значений времени нарастания и времени спада составляет десять наносекунд.

Для обеспечения надежной работы драйверы затворов оснащены схемой обнаружения насыщения, которая определяет состояние перегрузки по току SiC MOSFET и инициирует плавное отключение. Эта схема предотвращает потенциально опасное событие dV/dt. Дополнительные функции защиты включают обнаружение UVLO и отключение при перегреве. Рисунок 7 иллюстрируетLittelfuse IX4352NE SiC MOSFET и драйвер IGBTвысокоскоростной драйвер затвора с функциями, обеспечивающими надежное управление SiC MOSFET.

Мощные SiC MOSFET управляют катушками передачи энергии. Полумостовые корпуса имеют напряжение сток-исток 1200 В и ток стока до 19,5 А. Помимо обеспечения высокой мощности, МОП-транзисторы минимизируют энергопотребление в открытом состоянии с типичным сопротивлением R._ДС(ВКЛ) низкое сопротивление 160 мОм. SiC MOSFET имеют низкие потери мощности переключения благодаря типичному низкому заряду затвора, короткому времени задержки включения и выключения, а также времени нарастания и спада тока.

Изолированный корпус на основе DCB улучшает термическое сопротивление и мощность. Усовершенствованный пакет охлаждения верхней части упрощает управление температурным режимом. Полумост Littelfuse SiC MOSFET серии MCL10P1200LBпоказанный на рисунке 8, обеспечивает высокую эффективность благодаря усовершенствованной компоновке, позволяющей сократить количество компонентов и оптимизировать высокую надежность.

Сотрудничайте с экспертами для создания надежного решения для беспроводной зарядки.

Защита от электрических опасностей, таких как перегрузка по току, перенапряжение, электростатический разряд и перегрев, имеет решающее значение для обеспечения надежной работы. Четыре рекомендуемых компонента, описанные в предыдущих параграфах, позволяют разработчикам разрабатывать прочные, безопасные и надежные беспроводные зарядные станции для электромобилей.

Чтобы разработать надежный и эффективный продукт, проектировщикам следует рассмотреть возможность привлечения инженеров-прикладчиков производителей компонентов, чтобы сэкономить время проектирования и затраты на соблюдение требований. Инженеры по применению могут помочь со следующим:

• Выбор экономичных защитных, сенсорных и высокоэффективных компонентов.
• Знание действующих норм безопасности.
• Littelfuse может провести предварительное тестирование на соответствие, чтобы избежать сбоев при тестировании на соответствие и сэкономить на задержках проекта и дополнительных затратах на несколько циклов тестирования на соответствие.

Сотрудничество с инженерами-разработчиками производителей компонентов и использование рекомендованных компонентов поможет создать надежные, надежные и эффективные решения для беспроводной зарядки электромобилей.

Чтобы узнать больше о решениях для защиты цепей, датчиков и управления питанием для проектирования беспроводной зарядки электромобилей, загрузите руководство, Решения с наддувом для зарядных станций электромобилей, любезно предоставлено Littelfuse, Inc.

Связаться с Littelfuse для получения дополнительной информации о том, как сделать вашу систему беспроводной зарядки безопасной, эффективной и надежной.

Ссылки:

¹Л. Блейн. Самое быстрое в мире беспроводное зарядное устройство для электромобилей открывает парковочные места мощностью 100 кВт. Новый Атлас. 18 марта 2024 г.