Rychlonabíječka trakčních akumulátoru s novými polovodičovými prvky

Rok / Year: 2011

Svazek / Volume: 13

Číslo / Number: 3

Rychlonabíječka trakčních akumulátoru s novými polovodičovými prvky High-power traction battery charger using new semiconductor devices Jan Kuzdas, Pavel Vorel [email protected], [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně.

Abstrakt: Tento článek se zabývá problematikou koncepce nové rychlonabíječky pro trakční akumulátory elektromobilu. Protože jsou požadovány co možná nejmenší rozměry a hmotnost zařízení při zachování jednoduchosti a spolehlivosti, byly použity rychlé tranzistory Cool-MOS. Spínací kmitočet je 100kHz při výkonu nabíječky 16kW. Koncepce byla zrealizována jako funkční vzorek a následně bylo provedeno měření pro ověření správnosti a funkčnosti zařízení.

Abstract: This article deals with the concept of the new fast charger for electric traction batteries. Because there were requirement for the minimum possible size and weight while maintaining the simplicity and reliability of the device the quick Cool-MOS transistors were used. The switching frequency is 100kHz at 16kW of charging power. The concept has been implemented as a functional sample and then measurements were performed to verify the accuracy and functionality of the device.

2011/20 – 16. 5. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

Rychlonabíječka trakčních akumulátorů s novými polovodičovými prvky Jan Kuzdas, Pavel Vorel Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected], [email protected]

Abstrakt – Tento článek se zabývá problematikou koncepce nové rychlonabíječky pro trakční akumulátory elektromobilu. Protože jsou požadovány co možná nejmenší rozměry a hmotnost zařízení při zachování jednoduchosti a spolehlivosti, byly použity rychlé tranzistory Cool-MOS. Spínací kmitočet je 100kHz při výkonu nabíječky 16kW. Koncepce byla zrealizována jako funkční vzorek a následně bylo provedeno měření pro ověření správnosti a funkčnosti zařízení.

1 Úvod Současné elektromobily disponují novými akumulátory, které dovolují vysoký nabíjecí proud. Jelikož jsou v automobilovém průmyslu kladeny vysoké požadavky na cenu, rozměry a hmotnost nabíječe, a to při provozu v těžkých podmínkách, jsou volba koncepce a návrh nabíječky o velkém výkonu značně složité. Je nutné přistoupit k topologii měniče s ohledem na dostupné materiály mag. obvodů a dostupné polovodičové prvky, které nás v současné době do jisté míry omezují.

2 Požadované parametry Kvůli použití měniče v automobilovém průmyslu je snaha dosáhnout toho, aby celé zařízení mělo co možná nejmenší rozměry a také co možná nejmenší hmotnost při zachování jednoduché a levné konstrukce.

ru a sekundárního obvodu tato koncepce měniče může pracovat s jinými výstupními hodnotami napětí a proudu).

3 Volba koncepce Pro dosažení co nejmenších rozměrů a hmotnosti, je nutné, aby nabíječka pracovala na vysokém spínacím kmitočtu. Pro tak vysokou spínací frekvenci a výkon (proud) není možné použít pomalých tranzistorů IGBT a klasických diod. Proto je nutné použít tranzistory Cool-MOS a diody na bázi SiC. Celková doba zapnutí i celková doba vypnutí Cool-MOS tranzistorů se pohybuje pouze okolo 100ns a u SiC diod se zotavovací doba pohybuje okolo 10ns. Problémy s přepínacími ztrátami jsou tak eliminovány. Díky novým tranzistorům Cool-MOS, diodám na bázi SiC a vhodnou topologií s tvrdým spínáním je možné provozovat nabíječku o výkonu 16kW na spínací frekvenci 100kHz. 3.1 Parazitní jevy způsobené vysokou spínací frekvencí a jejich eliminace Použití tranzistorů Cool-MOS pak přináší některé nové, nikoliv však neřešitelné problémy Velká strmost du/dt resp. di/dt při vypínání tranzistorů: • U tranzistorů Cool-MOS jsou speciální požadavky na konstrukci budičů (nutnost potlačování tzv. ringingu, dále nutnost malé parazitní kapacity galvanického oddělení - odolnost na du/dt) • Velké překmity napětí způsobené velkou strmostí di/dt na parazitních indukčnostech (poškození tranzistorů). Je nutné použít odlehčovací obvody (jednoduchý RCD člen) pro vypínací děj. • problematika EMI (souvisí také s ringingem)

Tabulka 1: Parametry nabíječky I [A]

Výstupní (nabíjecí) proud

100

U [V]

Výstupní napětí

160

P [kW]

Výstupní výkon

16

Uin [V]

Vstupní AC RMS napětí

3x400

UDC [V]

Napětí DC meziobvodu

2x280

F [kHz]

Spínací frekvence

100

M [kg]

Hmotnost zařízení

cca 15

Požadovaný výkon rychlonabíječky je 16kW (výkon jednoho modulu, moduly lze podle potřeby spojovat pro navýšení výkonu). Z toho je patrno, že měnič bude nutno napájet z 3fázové sítě 3x400V/50Hz. Dále jsou požadovány na výstupu měniče tyto hodnoty: 160V/100A DC (po úpravě vysokofrekvenčního transformáto-

Velká strmost di/dt na nulových diodách (na sekundární straně měniče): • Vlivem parazitních indukčností a vlivem velké strmosti di/dt na sekundární straně měniče vznikají na těchto diodách velké napěťové překmity. Tyto překmity byly však částečné potlačeny paralelním připojením RC členu. Velké dynamické ztráty na nulových diodách (na sekundární straně měniče): • Díky špatným dynamickým vlastnostem (příliš dlouhý zotavovací čas) klasických diod je nutné použít nové rychlé diody na bázi SiC.

20 – 1

2011/20 – 16. 5. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

Malé závěrné napětí tranzistoru Cool-MOS: • Tranzistory s potřebnou proudovou zatížitelností se vyrábějí na závěrné napětí max. 600V, nelze je tedy použít pro měnič se ss meziobvodem tvořeným šestipulsním usměrňovačem třífázové sítě 3x400V (CoolMOS tranzistory se závěrným napětím 800V sice existují, ale mají nevhodně větší RDSon a menší proudovou zatížitelnost). Problém lze vyřešit použitím děleného ss meziobvodu (dvakrát 280V místo jednoho meziobvodu 560V). Dále bude ukázáno, že vhodnou topologií silového obvodu lze snadno (bez jakékoli regulace) zajistit shodnost napětí obou polovin meziobvodu (meziobvod je tvořen ze dvou do série spojených kondenzátorových baterií). Vhodnou konstrukcí silového obvodu lze uvedená úskalí překonat. Při nezvykle vysokém spínacím kmitočtu 100kHz (pro desítky kW) je výhodné se vyhnout použití dvojčinného měniče (realizace „dead-time“ při spínací periodě 10µs by byla nepříjemným úkolem a zbytečnou komplikací). Vzhledem ke zmiňovanému dělenému meziobvodu raději použijeme dva jednočinné můstkové propustné měniče. Ty však nebudou pracovat protitaktně do společné tlumivky, ale každý bude mít svou tlumivku. V následující kapitole bude objasněno, že toto řešení zcela automaticky zaručuje rovnoměrné rozdělení vstupního usměrněného napětí (560V) do obou polovičních meziobvodů. 3.2 Problematika rovnoměrného rozdělení napětí v děleném ss meziobvodu Na Obrázku 1 je zapojení s děleným meziobvodem a dvěma jednočinnými měniči v klasickém protitaktním zapojení se společnou výstupní tlumivkou. Z hlediska zajištění rovnoměrného rozdělení napětí do obou polovičních meziobvoů se jedná o zcela nevhodné řešení (muselo by být použito regulační řešení tohoto problému - komplikace, nejistota spolehlivosti) [1]. i2A I

také rozdílný náboj odebíraný během jedné periody z obou meziobvodů. Proto bude jeden kondenzátor vybíjen více než druhý (integrační problém) a dojde postupně k rozvážení napětí meziobvodu s následkem vzniku přepětí a zničení tranzistorů. Situace je znázorněna na Obrázku 2 [1].

i2A

IL QA

difference

i2B

IL QB QB < QA

tonB < tonA

Obrázek 2: Proudy a náboje v topologii podle Obrázku 1 [1]. Tento problém lze zcela odstranit použitím topologie podle Obrázku 3. V tomto zapojení mají oba měniče svůj kompletní usměrňovač a svou samostatnou tlumivku. To umožňuje, aby každý z měničů dodával rozdílný výstupní proud ILA resp. ILB. Pokud se nyní objeví nerovnost středních hodnot primárních proudů (díky neshodnosti střídy), napětí kondenzátoru jednoho meziobvodu začne klesat oproti druhému. Pak měnič napájený z vyššího napětí (méně vybíjený kondenzátor) začne poskytovat také větší výstupní napětí, a proto jeho výstupní proud také vzroste. Tím vzroste ovšem i střední hodnota primárního proudu tohoto měniče a kondenzátor jeho meziobvodu se začne více vybíjet [1]. i2A ILA U DC 2

i2B

ILB

U DC 2

L

Obrázek 3: Navrhované řešení s děleným meziobvodem automatické zajištění rovnoměrného rozdělení napětí [1]

U DC 2

i2B

i2A

U DC 2

ILA QA

Obrázek 1: Dva měniče v protitaktním zapojení se společnou tlumivkou - nevhodné řešení [1]. Pokud se bude velikost střídy spínání obou měniču nepatrně vzájemně odlišovat (vinou řídicích obvodů nebo budičů), pak špičková hodnota proudů i2A a i2B bude shodná (společná tlumivka ji udržuje), ovšem střední hodnotu těchto proudů se bude odlišovat. Z toho je zřejmé, že také pulzní proudy odebírané na primární straně ze dvou meziobvodů budou mít stejnou špičkovou hodnotu, ale rozdílnou střední hodnotu tj. bude

difference

ILB > ILA

i2B QB tonB < tonA

ILB > ILA

QB = QA

Obrázek 4: Proudy a náboje v topologii podle Obrázku 3 [1].

20 – 2

2011/20 – 16. 5. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

Je zřejmé, že v zapojení je přítomna automatická zpětná vazba, která zabraňuje postupnému nekontrolovanému (integračnímu) rozvážení napětí meziobvodu. Přitom k tomu nejsou potřebné žádné přídavné regulační obvody. Situace je znázorněna v Obrázku 4 [1].

výkonových spínacích tranzistorů lze tedy rychlonabíječku zatěžovat až do plného výkonu, tzn. do 16kW.

4 Naměřené hodnoty na sestaveném prototypu Dle navržené koncepce byl sestaven funkční vzorek, na kterém byla provedena měření. Na tomto prototypu byly v silovém obvodu použity velmi rychlé tranzistory Cool-MOS SPW47N60CFD. Dále byly použití nové diody na bázi SiC s označením: IDH15S120. Tyto diody byly použity jak na primární straně jako demagnetizační diody, tak také v odlehčovacím RCD členu na tranzistorech. Dále byly použity na sekundární straně jako nulové a usměrňovací diody. V následující tabulce jsou uvedeny katalogové hodnoty těchto diod. V Tabulce 2 a 3 jsou uvedeny základní parametry použitých tranzistorů a diod. Tabulka 2: Parametry použitých tranzistorů [7]. Typ Katalogové označení

Cool-MOS Power Transistor SPW47N60CFD

Pouzdro ID [A] UDS [V] RDS(on),max [Ω]

PG-TO247 46 600 0,083

4.2 Měření napětí na nulové diodě na sekundární straně měniče Vlivem parazitní rozptylové indukčnosti impulsního výkonového transformátoru, vlivem velké strmosti protékaného proudu di/dt a také vlivem zotavovacího zkratu diod vznikají na diodách překmity. Jen díky použití nových diod IDH15S120 nejsou překmity na nulových diodách na kritické hodnotě. Překmity jsou také potlačeny RC členem, který je připojen paralelně k diodám, ovšem i přesto vznikají. Na Obrázku 6 je tento průběh napětí na nulových diodách zobrazen. Z průběhu je patrné že velikost překmitu při zatížení 10,1kW, tzn. při výstupním napětí 142V a proudu 71A je cca 120V. Avšak při zvyšujícím se proudu tento překmit ještě narůstá. Jelikož mají diody závěrné napětí 1200V, je zde dostatečná rezerva a měnič můžeme tedy provozovat při požadovaném výstupním výkonu 16kW (160V/100A).

Tabulka 3: Parametry použitých diod [8]. Typ Katalogové označení

SiC Schottky Diode IDH15S120

Pouzdro IFAV [A] URRM [V] trr [ns]

PG-TO220-2 15 1200 10

Obrázek 5: Průběh napětí UCE při použití diod IDH15S120 a zatížení měniče 14,28kW.

4.1 Měření napětí UCE Měření UCE bylo provedeno při napětí meziobvodu UDC 2x250V a při výstupním výkonu měniče 14,3kW. Na Obrázku 5 je tento průběh napětí UCE zobrazen. Překmity na napětí UCE jsou způsobeny parazitní indukčností mezi tranzistorem, diodou a napěťovým meziobvodem a velkou strmostí di/dt. Kdyby byly použity klasické (dosud používané) demagnetizační diody, tento překmit by byl větší v řádech desítek voltů (vlivem dopředného zotavovacího jevu diody). Velikost napěťové špičky během překmituje v tomto případě bylo cca 57V (překmity jsou částečně potlačeny odlehčovacím RCD členem) Při zvyšujícím se napětí UCE a při zvyšujícím se proudu IC se tento překmit sice zvětšuje, ale i přesto napěťová špička tohoto překmitu nedosahuje nikdy takových hodnot, aby zničila výkonový tranzistor. Z hlediska

Obrázek 6: Průběh napětí na nulové diodě na sekundární straně měniče při použití diod IDH15S120 a zatížení měniče 10,1kW.

20 – 3

2011/20 – 16. 5. 2011

VOL.13, NO.3, JUNE 2011

5 Závěr V této práci je popsána volba koncepce rychlonabíječky pro nové trakční akumulátory elektromobilů, které dovolují vysoké nabíjecí proudy. Byly požadovány co možná nejmenší rozměry a hmotnost, proto bylo nutné, aby měnič pracoval na vysoké spínací frekvenci. Z tohoto důvodu bylo nutné použít nové polovodičové prvky, které umožňují velké strmosti du/dt respektive di/dt. Byly tedy použity tranzistory Cool-MOS a diody na bázi SiC. Použití těchto prvků však vyžaduje řešení některých nových problémů. V textu je popsáno, jak lze jednotlivé problémy řešit, aby zařízení správně pracovalo. Dále bylo požadováno, aby zařízení bylo jednoduché a spolehlivé. Volba vhodné koncepce byla tedy značně náročná. Dále jsou zde uvedena měření na sestaveném funkčním vzorku. Ve výkonovém obvodu tohoto prototypu byly použity velmi rychlé tranzistory Cool-MOS SPW47N60CFD a nové diody na bázi SiC IDH15S120. Z měření je patrné, že při použití těchto nových polovodičových prvků je možné toto zařízení provozovat při plném výkonu 16kW.

[8] IDH15S120: SiC Schottky Diode Datasheet, Infineon Technologies AG, Munich, Germany, 2010. URL http://www.infineon.com. [9] Description of charge mode for low maintenance STM modules STM 5-100 MRE. URL http://www.evdl.org.

Poděkování Práce byla řešena v rámci fakultního projektu FEKT-S-1017: „Mapování účinnosti střídavých elektrických pohonů“, projektu MSM 0021630516: „Zdroje, akumulace a optimalizace využití energie v podmínkách trvale udržitelného rozvoje“ a fakultního projektu FEKT „Využití nových technologií ve výkonové elektronice“.

Literatura [1] Patočka, M.: Vybrané statě z výkonové elektroniky, svazek IV. Brno, 2010. Elektronický učební text FEKT VUT v Brně. [2] Patočka, M.: Vybrané statě z výkonové elektroniky, svazek II. Brno, 2004. Elektronický učební text FEKT VUT v Brně. [3] Vorel, P.: Výkonové elektromechanické systémy v silničních vozidlech. Brno, 2005. Teze habilitační práce na FEKT VUT v Brně. [4] Langer, R.: Rychlonabíječka pro trakční akumulátor elektromobilu "Peugeot106 electric". Brno, 2009. Diplomová práce na FEKT VUT v Brně. 60s. [5] Novotný, V., Vorel, P., Patočka, M.: Napájení elektronických zařízení. Brno, 2003. FEI VUT v Brně. 139 s. [6] Vorel, P., Procházka, P.: Řídící členy v elektrických pohonech. Brno, 2009. Elektronický učební text FEKT VUT v Brně. 101s. [7] SPW47N60CFD: Cool-MOS Power Transistor, Infineon Technologies AG, Munich, Germany, 2008. URL http://www.infineon.com.

20 – 4