Analyse des options : topologies bidirectionnelles de recharge rapide des véhicules électriques (VE)

Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec Bodo’s Power Systems.

Les chargeurs rapides CC pour véhicules électriques (VE) actuellement en cours de développement doivent satisfaire à des spécifications plus exigeantes que ceux déjà installés. Ceci est dû à une double pression du marché : d’abord, permettre une charge plus rapide des batteries à plus grande capacité intégrées aux derniers VE, et ensuite, permettre un flux d’énergie bidirectionnel pour prendre en charge de nouvelles applications de rechargement du réseau et du bâtiment – une technologie qui contribuera à équilibrer le réseau électrique à mesure que davantage d’énergie sera générée à partir de sources fluctuantes telles que l’éolien et le solaire.

Les fabricants de chargeurs peuvent rendre leurs conceptions plus flexibles en mettant en œuvre des chargeurs rapides CC sous forme de modules modulaires : plusieurs modules peuvent être connectés en parallèle pour augmenter la puissance de sortie jusqu’à 300 kW. Cela signifie que lorsque plusieurs modules sont empilés dans l’enceinte du chargeur, la densité de puissance du module devient un sujet important, tout comme la gestion thermique.

Pour relever ces défis, les fabricants de chargeurs VE se sont tournés vers les interrupteurs de puissance en carbure de silicium (SiC), qui commutent plus rapidement que les MOSFET en silicium ou les IGBT équivalents, avec des pertes de commutation beaucoup plus faibles. Cela permet d’utiliser des composants magnétiques plus petits, ce qui se traduit par une plus grande densité de puissance du système. La technologie SiC résout également les problèmes thermiques des conceptions de puissance haute densité en raison de son rendement accru et de sa tolérance aux températures de fonctionnement plus élevées par rapport aux dispositifs en silicium, ce qui permet d’utiliser un dissipateur de chaleur plus petit tout en réduisant les contraintes thermiques sur les composants du système.

Peu de fabricants de semi-conducteurs ont la capacité technique et la capacité de production pour fournir des dispositifs SiC en volume aux fabricants de chargeurs. Les leaders de ce groupe sont Infineon, onsemi et STMicroelectronics. De nombreux concepteurs de chargeurs VE se tourneront vers ces entreprises pour obtenir des cartes de référence pour évaluer les performances de différents interrupteurs de puissance SiC et évaluer leur adéquation à leur application.

Ces conceptions de référence fournissent des mises en œuvre de certaines des topologies les plus appropriées pour les chargeurs rapides CC bidirectionnels, à la fois au niveau de l’étage d’entrée PFC et du convertisseur CC/CC. Comprendre ces topologies, ainsi que leurs avantages et leurs inconvénients, aidera le concepteur à déterminer celle qui convient le mieux aux exigences de son application. Examinons d’abord le choix des topologies pour l’étage d’entrée PFC d’un chargeur VE.

Étape d’entrée PFC bi-directionnelle d’un module de chargeur CC

L’étape AC/DC convertit une entrée (normalement) triphasée dans la gamme de 380 V à 415 V CA en une tension de lien CC stable d’environ 800 V. Toutes les topologies examinées dans cet article sont pour des systèmes bidirectionnels, donc la conversion se fera également dans l’autre sens, du CC vers le CA.

Les dispositifs SiC conviennent particulièrement aux convertisseurs bidirectionnels basés sur une configuration en demi-pont. Généralement, les systèmes bidirectionnels effectuent des commutations dures répétitives. Dans ce cas, le temps de rétablissement inversé long d’un commutateur de puissance en silicium à la diode de corps du dispositif entraîne une dissipation de puissance élevée, un rendement faible, une contrainte thermique plus élevée et une fiabilité du système moindre. Par conséquent, un convertisseur bidirectionnel nécessite un temps de rétablissement inversé faible, une caractéristique des MOSFET SiC (voir Figure 1).

Figure 1. Un temps de rétablissement inverse de la diode de corps faible est essentiel dans les convertisseurs bidirectionnels, qui ont une configuration en demi-pont et sont exposés à des commutations dures répétitives. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Trois topologies méritent d’être prises en considération pour l’étage PFC à l’avant d’un chargeur CC triphasé bidirectionnel :

• PFC deux niveaux
• PFC à point neutre à trois niveaux (NPC)/NPC actif (ANPC)
• PFC NPC T à trois niveaux

Figure 2. La topologie PFC à deux niveaux. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Topologie de PFC à deux niveaux

Le redresseur de type élévateur à six commutations de la topologie PFC à deux niveaux est un circuit très simple à contrôler (voir Figure 2). Il facilite le flux d’énergie bidirectionnel et peut atteindre un facteur de puissance élevé avec un rendement raisonnable. Comparée à une topologie à trois niveaux, elle entraîne un nombre de composants inférieur et une disposition plus facile sur le circuit imprimé.

D’autre part, elle nécessite des interrupteurs avec une tension nominale élevée pour bloquer toute la tension de lien CC. Par exemple, une application de 800 V CC nécessite un MOSFET SiC avec une capacité de blocage de 1 200 V.

Un autre inconvénient de cette topologie est la présence d’une inductance de filtrage volumineuse, nécessaire pour réduire au minimum la distorsion harmonique totale (THD) du courant d’entrée. Les topologies à trois niveaux n’ont pas besoin d’autant d’inductance et permettent d’obtenir une densité de puissance plus faible.

Un autre facteur à prendre en compte est la contrainte de tension maximale, qui compromet la durée de vie des semi-conducteurs et d’autres dispositifs passifs.

Enfin, les performances EMI du convertisseur sont nettement inférieures à celles des topologies PFC à plusieurs niveaux décrites ci-dessous.

Topologie PFC NPC/ANPC à trois niveaux

Dans la topologie NPC/ANPC à trois niveaux, chaque commutateur ne doit bloquer que la moitié de la tension du bus, de sorte que les MOSFET avec une tension nominale inférieure peuvent être utilisés et que la contrainte de tension sur les dispositifs est beaucoup plus faible (voir Figure 3). Cela signifie que cette topologie peut être facilement adaptée à de multiples plateformes pour une mise en œuvre avec des commutateurs de puissance SiC, GaN et silicium pour répondre aux besoins d’applications présentant différentes exigences en matière de puissance, de coût et d’efficacité.

Pour une application de 800 V, des MOSFET avec une tension nominale de 600 V peuvent être utilisés. En plus de présenter des pertes de commutation inférieures aux MOSFET de 1 200 V, les MOSFET 600 V peuvent prendre en charge des fréquences de commutation beaucoup plus élevées.

Dans la topologie NPC, on observe une plus faible onde de courant dans le courant de sortie et la transitoire de tension de sortie est 50 % plus faible. Cela réduit la nécessité de filtrage et d’isolation et permet d’utiliser une inductance de filtrage plus petite. La conception peut atteindre une densité de puissance plus élevée avec moins d’inductance nécessaire pour réguler la distorsion totale du courant dans la forme d’onde du courant. Les tensions de sortie de cette topologie de convertisseur à plusieurs niveaux subissent également de très faibles perturbations, ce qui réduit au minimum les contraintes dv/dt sur les dispositifs et améliore les performances EMI.

Si la topologie NPC offre de moins grandes pertes de commutation et une efficacité plus élevée à des fréquences de commutation supérieures à 50 kHz par rapport à la topologie PFC à deux niveaux, elle nécessite toutefois plus de commutateurs et chaque commutateur nécessite son propre circuit de commande de grille. Cela signifie que le contrôle est plus complexe et que le coût de la nomenclature (BoM) est plus élevé.

Figure 3. Topologie PFC NPC à trois niveaux. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Cette topologie utilise à la fois des commutateurs et des diodes à semi-conducteurs actifs, et la répartition résultante des pertes de manière asymétrique dans l’ensemble de puissance peut rendre la gestion thermique difficile. Certains concepteurs préfèrent une répartition plus symétrique des pertes, ils remplacent donc les diodes de la topologie NPC par des commutateurs actifs dans un convertisseur ANPC (voir Figure 4).

Les topologies NPC et ANPC sont utiles dans les deux cas car la réduction de la tension de blocage entraîne l’utilisation de commutateurs en nitrure de gallium (GaN) hautement efficaces pour améliorer l’efficacité et la densité de puissance.

Figure 4. Topologie PFC ANPC à trois niveaux. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Topologie PFC T à trois niveaux NPC

Dans les convertisseurs T à trois niveaux NPC, la topologie de convertisseur source de tension à deux niveaux classique est étendue avec un commutateur actif et bidirectionnel jusqu’au point milieu du lien CC (voir Figure 5). Pour les tensions de 800 V CC, les IGBT/diodes de 1 200 V fonctionnent normalement sur les côtés haut et bas de chaque phase, car la tension complète doit être bloquée. Mais dans la configuration T, le commutateur bidirectionnel vers le point médian du lien CC ne doit bloquer que la moitié de la tension. Cela signifie qu’il peut être mis en œuvre avec des dispositifs de tension inférieure, par exemple, deux IGBT de 600 V incluant des diodes en antiparallèle.

En raison de la tension de blocage réduite, le commutateur du milieu génère des pertes de commutation très faibles et une perte par la conduction acceptable. Contrairement à la topologie NPC à trois niveaux, la topologie T à trois niveaux ne connecte pas les dispositifs en série qui doivent bloquer toute la tension du lien CC.

Dans la topologie NPC, les transitions de commutation faites directement à partir d’une tension de lien CC positive à négative, et vice versa, sont généralement évitées car elles peuvent provoquer un blocage momentané inégal de la tension lorsque les FET connectés en série s’éteignent simultanément. Cet effet indésirable ne peut pas se produire dans la topologie T, il n’est donc pas nécessaire de mettre en œuvre des routines à faible niveau qui empêchent de telles transitions ou assurent un équilibrage de tension transitoire entre les IGBT connectés en série.

Un autre avantage de l’utilisation d’un seul dispositif à 1 200 V pour bloquer la tension complète du lien CC est une réduction des pertes de conduction. Lorsque la sortie est connectée à la fois au positif et au négatif, le circuit est exposé à la chute de tension directe d’un seul dispositif ; dans la topologie NPC, deux dispositifs sont toujours connectés en série. Cela réduit considérablement les pertes de conduction, ce qui rend la topologie T précieuse dans les applications qui commutent à basse fréquence.

Les pertes de conduction sont significativement plus faibles que celles de la topologie NPC, mais les pertes de commutation sont élevées en raison des dispositifs qui bloquent la tension complète du lien CC. Ainsi, le redresseur T est mieux adapté aux applications commutant jusqu’à 50 kHz, tandis que la topologie NPC offre de meilleures performances à des fréquences supérieures à 50 kHz.

Figure 5. Topologie PFC T à trois niveaux NPC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Le tableau 1 compare les avantages et les inconvénients des trois topologies d’étage PFC décrites ci-dessus.

Tableau 1. Récapitulatif des caractéristiques des topologies d’étage PFC.

Étape de convertisseur CC/CC d’un module de chargeur CC

L’étage CC/CC est le convertisseur galvaniquement isolé qui convertit la tension de lien CC entrante de 800 V en une tension de sortie CC régulée pour recharger la batterie du VE (évitant ainsi le chargeur embarqué du véhicule, qui est utilisé uniquement lors de la connexion à un chargeur CA).

La topologie pour l’étage CC/CC bidirectionnel peut être mise en œuvre de deux manières différentes :

• Pont actif double
• Pont actif double en mode CLLC

Topologie de pont actif double

Le convertisseur de pont actif double (DAB) se compose d’un pont complet avec des interrupteurs actifs à la fois du côté primaire et du côté secondaire, connectés via un transformateur haute fréquence (voir Figure 6). En raison du courant intrinsèquement retardé dans l’un des ponts, le courant décharge la capacité de sortie des interrupteurs d’un pont à la fois. Pendant que les interrupteurs du côté secondaire sont déchargés, certains interrupteurs du côté primaire permettent une commutation à tension nulle lors de leur mise sous tension. Des régulateurs capacitifs sans perte peuvent également être utilisés entre les interrupteurs pour réduire les pertes de commutation à l’extinction.

Les principaux avantages de cette topologie de convertisseur sont :

• La capacité bidirectionnelle, qui est obtenue en contrôlant l’angle de phase entre les deux ponts
• La modularité, qui permet de l’adapter à des niveaux de puissance plus élevés

Figure 6. Topologie du convertisseur CC/CC en pont actif double. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

En modulation monophasée à décalage de phase, la topologie DAB est simple à contrôler. Cependant, le schéma de commande devient complexe pour les modes de modulation doubles ou triples. Cette topologie peut couvrir une large plage de tensions de batterie avec une modulation monophasée à décalage de phase, mais les courants circulants dans le transformateur augmentent à des niveaux élevés, réduisant considérablement le rendement.

Cependant, avec des schémas de modulation avancés tels que la modulation triple à décalage de phase, le convertisseur peut théoriquement effectuer une commutation à tension nulle sur l’ensemble de la plage de fonctionnement. Le rapport de puissance de sortie sur la capacité en KVA du transformateur est élevé dans cette topologie. La capacitance de sortie requise pour gérer les courants de crête est également faible.

En général, ce convertisseur est idéal pour les applications dans lesquelles la densité de puissance, le coût, le poids, l’isolation et la fiabilité sont des facteurs critiques en raison de ses nombreux avantages :

• Un nombre relativement faible de composants
• Des commutations sans perte
• Un faible coût
• Un rendement élevé

Cependant, il convient de noter que le convertisseur DAB nécessite souvent une inductance supplémentaire pour prendre en charge la commutation à tension nulle : cela augmente la taille du circuit et réduit la densité de puissance.

Topologie DAB en mode CLLC

La configuration du circuit CLLC remplit toutes les fonctions du LLC classique, mais avec l’avantage que l’utilisation d’interrupteurs actifs du côté secondaire permet un transfert d’énergie bidirectionnel (voir Figure 7).

Ce convertisseur fonctionne en mode de commutation à tension nulle/courant nul, ce qui permet un rendement élevé. Lorsque la tension du bus peut varier d’environ 10 %, ce convertisseur peut s’adapter à une tension de batterie variant considérablement tout en conservant une bonne efficacité. Cependant, avec une tension de bus fixe, cette topologie a une plage de fonctionnement très limitée.

La présence de condensateurs du côté primaire et du côté secondaire élimine le risque de saturation du noyau du transformateur.

Le convertisseur DAB en mode CLLC convient mieux aux chargeurs embarqués CA/CC. Il peut être utilisé à des niveaux de puissance supérieurs à la capacité des chargeurs embarqués – jusqu’à 15 kW. Cependant, l’évolution vers des niveaux de puissance plus élevés et le parallélisme peuvent être difficiles, car cela requiert une structure de réservoir très symétrique et la synchronisation de plusieurs modules, ce qui est une tâche difficile.

Figure 7. Topologie DAB en mode CLLC. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Les topologies DAB et DAB en mode CLLC sont communément utilisées dans les convertisseurs CC/CC isolés de 800 V. Le rapport de conversion de tension contrôle la connexion des bornes du convertisseur, ce qui affecte la tension de claquage requise pour les interrupteurs : un convertisseur haute tension peut être connecté en série ou en parallèle dans une borne tandis qu’un autre reste connecté en parallèle. Cela signifie qu’il existe quatre configurations possibles pour les connexions de la topologie.

Deux exemples de la topologie DAB en mode CLLC sont illustrés : la Figure 8 montre une configuration d’entrée en série, et la Figure 9 une configuration d’entrée en parallèle, pour une tension de bus de 800 V avec une large plage de tension de sortie de 200 V à 1 kV.

L’avantage de la topologie en entrée en série de la DAB en mode CLLC est sa plage de fréquence de résonance étroite sur une large plage de tension de sortie, ce qui se traduit par de faibles pertes de commutation ; ici, un dispositif de 650 V peut être utilisé. Mais cela nécessite un contrôle plus complexe de la tension aux bornes du condensateur de bus CC. De plus, pour atteindre une efficacité donnée, un dispositif avec une résistance à l’état passant plus faible est requis par rapport à un seul pont complet utilisant des dispositifs de 1 200 V.

L’avantage de la topologie en entrée en parallèle du convertisseur DAB DAB en mode CLLC est que, pour une efficacité donnée, le circuit peut utiliser des dispositifs avec une résistance à l’état passant plus élevée, tandis que le schéma de contrôle est plus simple. Une large plage de fréquences de résonance est nécessaire pour prendre en charge une large plage de tension de sortie.

Figure 8. Convertisseur DAB en mode CLLC en configuration d’entrée en série. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

Figure 9. Convertisseur DAB en mode CLLC en configuration d’entrée en parallèle. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]

L’avantage et les inconvénients des deux topologies d’étage CC/CC sont présentés dans le tableau 2.

Les designs de référence accélèrent la mise en œuvre des circuits de chargeurs CC

Les principaux fabricants de MOSFET SiC fournissent des designs de référence qui servent de modèle pour les nouveaux designs de chargeurs CC haute puissance, en totalité ou en partie.

Le convertisseur d’étage PFC bidirectionnel STDES-PFCBIDIR 15 kW de STMicroelectronics met en œuvre la topologie T-type NPC (voir Figure 10). Commandé numériquement, il convertit entre 400 V CA et 800 V CC. Son rendement est proche de 99 %. ST a optimisé les composants passifs en termes de taille et de coût, et le convertisseur offre une densité de puissance élevée.

Tableau 2. Récapitulatif des caractéristiques des deux principales topologies d’étage CC/CC.