Alors que l’ère du moteur à combustion interne s’estompe et que les moteurs électriques gagnent en puissance, l’industrie automobile se tourne vers l’industrie des semi-conducteurs pour les innovations électroniques nécessaires à la réalisation d’un avenir électrifié.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Alors que l’ère du moteur à combustion interne en tant que source d’énergie principale des véhicules disparaît, c’est le moteur électrique que l’industrie automobile privilégie comme alternative. En conséquence, les constructeurs automobiles se tournent vers l’industrie des semi-conducteurs pour les innovations électroniques nécessaires à la réalisation de ce futur électrifié. Les véhicules électriques à batterie (VE) sont la méthode préférée, et tout le monde cherche à être en tête des connaissances nécessaires pour les rendre le plus attrayants possible. Cependant, beaucoup s’excitent trop pour les gadgets et fonctionnalités à l’intérieur de la voiture, tandis que l’autonomie du véhicule et la recharge restent des préoccupations clés.
Les technologies à large bande interdite (WBG), comme le carbure de silicium (SiC), bénéficient de ce changement de source d’énergie dans l’automobile et offrent des avantages substantiels par rapport aux dispositifs de puissance traditionnels, tels que les IGBT, sur lesquels nous comptions auparavant. Les fabricants de composants passifs travaillent également d’arrache-pied. L’innovation dans les inductances aide à garantir les avantages des WBG en tant que topologie de commutation plus rapide pour offrir plus d’autonomie et une technologie de recharge plus rapide et plus fiable.
Tout cela est soutenu par une demande tangible. Les revenus des véhicules électriques devraient atteindre plus de 620 milliards de dollars en 2024 et croître de 10 % par an, ce qui verra plus de 13 millions de VE ajoutés sur les routes d’ici la fin de la décennie. Avec de nouvelles générations de MOSFETs en SiC étant régulièrement lancées et les passifs améliorés régulièrement déployés, la plupart des ingénieurs se demanderont comment évaluer leurs avantages de manière efficace et efficiente.
Communalités dans les blocs convertisseurs de puissance des VE
Un domaine d’intérêt est la recharge des VE. Les VE et les hybrides rechargeables (PHEV) disposent tous deux d’un chargeur embarqué (OBC) soutenant des plages de puissance de 3,6 kW à 22 kW. Ceux-ci peuvent être alimentés en courant alternatif via une borne murale dédiée ou une station de charge à domicile, en bord de route ou dans un parking. Pour les véhicules garés à domicile ou au travail, il est idéal de les recharger pendant que la voiture se repose. En ce qui concerne les trajets plus longs, les chargeurs DC fournissent une recharge rapide en cours de route. Fournissant de 40 à 300 kW ou même plus, ils contournent l’OBC pour délivrer une recharge à 80 % en environ 20 à 60 minutes.
La structure de base du chargeur est la même dans les deux cas. Le courant alternatif est alimenté dans une unité de correction du facteur de puissance (PFC), suivie d’un convertisseur DC/ DC qui alimente le circuit de charge de la batterie du véhicule (Figure 1).
Figure 1. Blocs de base d’un système de charge de VE. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
L’efficacité énergétique est cruciale pour minimiser la dissipation de chaleur et économiser de l’énergie, tandis que l’espace disponible et les objectifs de poids de conception mettent sous pression les exigences de densité de puissance. De plus, les VE sont considérés comme une source d’énergie potentielle pour équilibrer les perturbations du réseau électrique (du véhicule au réseau, V2G) ou même fournir de l’énergie aux maisons en cas d’urgence (du véhicule à la maison, V2H). Les chargeurs nécessitent des topologies bidirectionnelles, nous orientant vers des PFC de type totem pole, des ponts actifs doubles (DAB) et des convertisseurs DC/DC LLC. Toutes ces topologies utilisent une branche de pont, et, en regardant un onduleur moteur d’un VE, cet élément électronique y apparaît également.
Figure 2. Une branche de pont est commune dans les conceptions de PFC, DC/DC et d’onduleurs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Approche modulaire pour explorer les conceptions à base de SiC
Aucune des topologies discutées n’est simple à concevoir, avec des hautes tensions et courants en jeu lors des tests. Cependant, les éléments de circuit répétés au sein de ces topologies offrent une chance d’utiliser la modularité pour évaluer rapidement différentes approches. Par exemple, les inducteurs d’entrée, les branches de pont uniques et le condensateur de sortie peuvent être isolés dans le circuit d’un PFC. La mesure de la tension et du courant d’entrée et de sortie, ainsi que le contrôle des MOSFETs en SiC, peuvent ensuite être assignés à un quatrième élément effectuant le contrôle du système. À cette fin, un microcontrôleur dédié aux applications de convertisseurs de puissance numériques est idéal (Figure 3).
Figure 3. Le PFC peut être décomposé en inducteur d’entrée, condensateur de sortie, branche de pont et bloc de contrôle. De nombreux blocs sont également utilisés dans des convertisseurs DC/DC et des onduleurs moteurs. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
C’est l’approche utilisée pour développer l’étude de faisabilité du Concept de conception de référence de chargeur de VE modulaire (Figure 4) que Toshiba a entrepris pour explorer la création d’une conception compacte tout en répondant aux exigences de niveau de puissance. Il décompose la conception en sept cartes de circuits imprimés (PCB). Au cœur se trouvent les cartes de commutation avec quatre MOSFETs SiC dans une conception à trois niveaux à point neutre clampé (NPC). Cela permet de répartir la charge thermique et les contraintes de tension entre les interrupteurs et de réduire les ondulations en volt-secondes sur les inducteurs. Deux diodes Schottky à barrière SiC (SBD), quatre pilotes de grille et un dispositif logique programmable complexe (CPLD) pour générer une commutation précise et les quatre signaux de contrôle requis complètent la conception.
Les MOSFETs SiC comprennent une diode Schottky intégrée sur puce avec une tension de seuil de seulement 1,35V. Cette SBD intégrée est essentielle pour limiter les changements de résistance à l’état passant (RDS(ON)) sur la durée de vie opérationnelle. Le produit RDS(ON) × Qgd (charge gate-drain) est également 80 % inférieur aux dispositifs SiC de deuxième génération, tandis que la plage de tension du VGSS plus large de -10V à +25V simplifie la conception des circuits du pilote de grille.
Comme dans tout convertisseur de puissance, un contrôle optimal des interrupteurs sur la durée de vie de l’application est requis. Cela est mis en œuvre à l’aide d’un pilote de grille isolé par optique TLP5214 qui fournit une sortie de ±4,0A pour une commutation rapide, qui est ensuite associée aux MOSFETs SiC de troisième génération de Toshiba. Le pilote dispose également d’une pince active Miller intégrée pour éviter le déclenchement parasitaire dû au dV/dt.
Tirer parti des fonctionnalités pour une conception compacte en cube PFC
Pour réaliser une conception compacte en cube aux niveaux de puissance demandés, les interconnexions sont mises en œuvre dans les chemins de courant élevé en utilisant des rails en cuivre et les entretoises métalliques mécaniques qui maintiennent les cartes ensemble. Cela conduit à une augmentation des inductances parasites de l’implémentation, limitant les vitesses de commutation pouvant être utilisées mais gardant la technologie PCB simple.
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Figure 4. Détails des interconnexions mécaniques porteuses de courant et des rails de cuivre dans la conception du Cube PFC SiC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les cartes d’inductance et de condensateur (Figure 5) comportent toutes deux le même circuit de mesure du courant et de la tension. Le courant est mesuré à l’aide de capteurs à effet Hall, tandis que la tension est mesurée différemment à l’aide d’un amplificateur opérationnel isolé TLP7820. Du côté de son entrée, ceux-ci utilisent un convertisseur analogique-numérique (ADC) sigma-delta pour entraîner une LED. Le signal optique résultant est envoyé à un amplificateur converti via un convertisseur numérique-analogique (DAC) 1-bit et un filtre passe-bas. Cette approche offre une précision de gain élevée (±0,5 %), une faible dérive de gain (0,00012 V/°C) et une faible non-linéarité (0,02 % pour VIN = ±200 mV). Le TLP7820 est reconnu UL/cUL et approuvé VDE/CQC.
Figure 5. Les cartes de condensateur et d’inductance présentent le même circuit de mesure de courant et de tension. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Traversant les cartes de la branche de pont, du condensateur et de l’inductance, se trouve la carte de contrôle comportant un microcontrôleur TXZ+ Arm Cortex-M4F. Ce qui le rend particulièrement adapté pour le contrôle des puissances numériques sont ses modules avancés de modulation de largeur d’impulsion (PWM) qui incluent une sortie complémentaire triphasée avec contrôle du temps mort. De plus, il peut être synchronisé en matériel avec les mesures analogiques effectuées par les ADCs embarqués 12-bit. Trois amplificateurs opérationnels à gain sélectif sont également disponibles. Le microcontrôleur dispose également d’un bloc moteur vectoriel capable de décharger et d’accélérer des calculs complexes comme les transformations de Clarke et Park, ce qui est également bénéfique pour les applications de PFC et d’onduleurs moteurs.
Haute densité de puissance et réutilisabilité
En tirant parti de la dernière technologie MOSFET en SiC, cette conception cuboïde PFC compacte vise à fournir 22 kW avec un facteur de puissance de 0,99 et une efficacité allant jusqu’à 99 %. Mesurant 140 × 140 × 210 mm3, cela se traduit par une densité de puissance de 3 kW/dm3. Grâce à sa modularité, les cartes de MOSFET SiC de la branche de pont, du condensateur, de l’inducteur et du microcontrôleur peuvent facilement être testées dans d’autres applications de convertisseurs de puissance, facilitant ainsi le fardeau du développement. En créant ce concept de conception modulaire, Toshiba vise à soutenir les équipes de développement novices en technologie WBG et à permettre l’exploration de la robustesse, de la faible RDS(ON) à la température de fonctionnement et des capacités de fréquence de commutation supérieure des MOSFET SiC, qui sont encore, pour beaucoup, une technologie nouvelle.
Étapes suivantes : évaluation et développement supplémentaires
Toshiba s’efforce d’offrir un soutien complet aux ingénieurs et aux équipes de développement se lançant dans la conception basée sur le SiC. Typiquement, ce soutien inclut une documentation détaillée couvrant tous les aspects de la conception de référence, y compris les spécifications techniques, les notes d’application et les lignes directrices de conception pour faciliter le processus de développement.
Le concept de SiC Cube a été initialement présenté lors de l’événement Wide Bandgap de Bodo à Munich à la fin de 2023. À l’heure actuelle, l’étude de faisabilité de SiC Cube évalue l’efficacité de l’approche modulaire et à niveaux multiples. Actuellement, le support applicatif est disponible, avec les schémas, les données des cartes et les informations BOM pour le SiC Cube en cours d’établissement. Des documents et des ressources supplémentaires seront disponibles à l’avenir.
Cet article est initialement paru dans Bodo’s Power Systems [PDF] magazine.