Publicado originalmente em 29 de junho de 2021 e traduzido para o português, com autorização de Mouser Electronics em 4 de agosto de 2021.
Título original: The Wide Bandgap Road to Automotive Power Electronics
Por Bonnie Baker para a Mouser Electronics
O mercado de eletrônica de potência automotiva continua a crescer em veículos elétricos (EV), híbridos e a gasolina, onde dispositivos semicondutores de silício (Si) e de largura de banda larga, como nitreto de gálio (GaN) e carboneto de silício (SiC), estão atraindo significativamente interesse.
Os requisitos de tensão para os sistemas de energia de veículos elétricos híbridos (HEV) variam de 12 V a 800 V com correntes de centenas de amperes.
Os dispositivos semicondutores banda proibida larga são excelentes alternativas, apresentando altas tensões de ruptura, condutividade térmica e alta velocidade de deriva de elétrons. Mas seu custo ofusca seu desempenho quando se trata de sistemas eletrônicos de potência automotivos em veículos de consumo.
Dispositivos de SiC ou GaN com banda proibida larga, comparados aos de processos de silício (Si) e arseneto de gálio (GaAs),comuns trazem maior eficiência, frequência de chaveamento, temperatura operacional e tensão operacional para resolver esse problema de conversão de energia. Mas, novamente, eles costumam ser caros demais para serem usados ??em aplicações automotivas.
A gama de opções de veículos eletrônicos abrange o veículo elétrico totalmente híbrido (FHEV), o veículo elétrico híbrido plug-in (PHEV) e o veículo elétrico híbrido moderado (MHEV).
O carro médio tem 600 MOSFETs, os carros mais sofisticados têm 100 MOSFETs e o carro híbrido 48V Mild tem 400 MOSFETs. Os dispositivos MOSFET de silício tratam dessas questões de alta tensão e custo. Depois de resolver os problemas de desequilíbrio de sobretensão, os dispositivos semicondutores de potência de baixa tensão em uma configuração conectada em série criam uma solução de sistemas de conversão de energia eficaz, atendendo a problemas de custo e eficiência.
A seguir, examinamos como usar o circuito MOSFET de silício no conversor buck padrão em um MHEV 48V. Este sistema de bateria de 48 V resiste a transientes de descarga de alta tensão de entrada enquanto opera com baixa interferência eletromagnética (EMI), ciclos de trabalho baixos e alta eficiência.
MOSFETs paralelos
A direção assistida elétrica, as bombas, os ventiladores e os aplicativos da carroceria controlam os aplicativos MOSFET de 48 V que usam os sistemas de veículos (Figura 1).
Nesses sistemas, os MOSFETs sofrem uma quantidade significativa de estresse mecânico durante a operação porque muitas expansões e contrações acontecem a qualquer momento. Os materiais nos veículos incluem cobre, alumínio e FR4. Todos esses materiais possuem diferentes coeficientes de expansão térmica.
Os dispositivos MOSFET primários devem conduzir altas correntes da bateria para o sistema. Se a configuração desses MOSFETs for paralela, o desafio do sistema mantém os desequilíbrios de corrente e temperatura sob controle (Figura 2).
A Figura 2 mostra três MOSFETs em uma configuração paralela. Nesse arranjo, as fontes dos MOSFET se conectam a um ponto estrela. As conexões simétricas ao circuito de drenagem conectam os percursos elétricos e térmicos entre os MOSFETs.
Os MOSFETs devem ter a capacidade de dissipar o máximo de potência possível para otimizar o desempenho e manter a temperatura de junção do MOSFET mais quente abaixo da temperatura máxima segura de 175 ° C.
Para atingir esse objetivo, é essencial combinar e minimizar a resistência térmica entre cada base de montagem do MOSFET e as bases de montagem de todos os outros MOSFETs. A montagem de cada MOSFET é simétrica e próxima em uma superfície termicamente condutora.
Um caminho de baixa resistência térmica permite o fácil fluxo de calor entre os MOSFETs. O fluxo de calor pode ser análogo ao fluxo de corrente elétrica - portanto, os pontos de ligação térmica dos MOSFETs ou guias de drenagem devem estar em um anel térmico principal. As temperaturas da base de montagem dos MOSFETs variam simultaneamente quando o calor flui facilmente entre todos os MOSFETs do grupo.
Este arranjo promove uma melhor combinação de temperatura da matriz, e não um compartilhamento de corrente igual.
Sistema Auxiliar 48V
Uma ação de frenagem faz com que a energia flua do motor de combustão para a bateria de 48 V e o torque do motor para o Gerador de partida acionado por correia (BSG), que atua como um gerador. Um inversor trifásico via transistor bipolar de porta isolada de silício (IGBT) ou diodos intrínsecos de MOSFET retifica as formas de onda elétricas BSG para carregar a bateria de 48 V com corrente contínua (Figura 3).
A energia flui para o BSG da bateria de 48 V durante as operações de partida e parada para atuar como um motor. Durante esse tempo, a bateria de 48 V fornece energia para o BSG e consome energia usando inversores com transistor de potência de silício trifásicos. Um conversor buck DC-DC abaixa os 48V para 16V, alimentando os drivers de gate do inversor trifásico. Isso fornece ao BSG a sequência de movimento adequada.
O BSG realiza três tarefas ligando o motor durante a partida-parada, melhorando o desempenho da aceleração ao aumentar o torque e as ações de frenagem carregam a bateria. A bateria de 48 V também alimenta bombas, ventiladores, compressores, racks de direção elétrica e auxilia os sistemas de start-stop. Uma bateria de 48 V pode fornecer a mesma energia de bateria de 12 V com um quarto da corrente.
Usando uma bateria 48V
Uma especificação de bateria de íon-lítio MHEV pode ser 1kWh, 48V, 21Ah. O documento “VDA320: Componentes elétricos e eletrônicos em veículos motorizados Fonte de alimentação de 48 V a bordo” recomenda que a faixa de operação da tensão da bateria esteja entre 36 V e 52 V. Esta especificação permite modos de operação limitados entre 20 V e 60 V e uma sobretensão dinâmica de até 70 V. A tensão operacional máxima de 60 V é a tensão de contato segura máxima permissível para operadores humanos.
Robustez do conversor DC-DC Buck
O conversor buck de 48 V na Figura 2 pode estar sujeito a picos de tensão de até 70 V e estresse elétrico de até 40 ms. A operação acima desse limite pode causar danos permanentes ao dispositivo. Consequentemente, a classificação máxima absoluta da tensão de entrada do conversor Buck precisa de uma margem acima de 70V.
Eletrônicos automotivos de potência exigem baixo EMI
EMI é um distúrbio que se origina em uma fonte externa. Essa interferência acoplada afeta um circuito elétrico por indução eletromagnética, acoplamento eletrostático ou condução. A eletrônica de gerenciamento de energia automotiva deve ter proteção EMI.
Em ambientes automotivos, o conversor de 48V buck deve atender às especificações CISPR25 Classe 5 de EMI. Os conversores de frequência fixa geralmente atenuam os picos durante os testes conduzidos e irradiados. A frequência DC-DC ajustável permite que os engenheiros filtrem frequências específicas ao passar nos testes de EMI. Por distinção, arquiteturas constantes no tempo exibem aquelas frequências variáveis ??raramente têm bom desempenho EMI.
O Conversor Buck Front-End 48V
Os automóveis têm várias unidades de controle eletrônico (ECUs) com bom desempenho EMI. A interface robusta do conversor 48V buck frontal resiste às condições de tensão estática e dinâmica da bateria. Além disso, esta interface oferece suporte a várias tensões de saída entre 16 V e 20 V, acionadores de portas de controle do motor, ao mesmo tempo que fornece energia de backup MCU se uma bateria de 12 V for desconectada.
O conversor buck de 48 V versus o buck de 12 V tende a ter maior perda de comutação (Equação 1).
PSW = ½ x C x V2 x f Eq. 1
Onde C são as capacitâncias parasitas
V é a saída do conversor de buck
f é a frequência operacional
Ao reduzir a frequência de operação (f), a perda de comutação diminui. Além disso, a adaptação de um processo avançado com recursos mínimos menores diminui as capacitâncias parasitas (C). A técnica de controle leva à operação de ciclo de serviço baixo. Por exemplo, uma saída de 16 V e uma entrada de 48 V levam à Equação 2.
D = BUCK1 / BUCK2 - Eq. 2
D = 16/48
D = 0,33
Onde D é o ciclo de trabalho
Tensões de saída nominais de BUCK1 e BUCK2
A partir desse cálculo, o transistor do lado alto do conversor Buck conduz 33 por cento do tempo, enquanto o transistor do lado baixo conduz 67 por cento. Este cálculo pode orientar o dimensionamento dos transistores de potência para um desempenho ideal.
Conclusão
Os dispositivos MOSFET de silício tratam dessas questões de alta tensão e custo. Depois de resolver os problemas de desequilíbrio de sobretensão, os dispositivos semicondutores de potência de baixa tensão em uma configuração conectada em série criam uma solução de sistemas de conversão de energia eficaz, atendendo a problemas de custo e eficiência.
Para esses veículos, os dispositivos semicondutores de potência com classificação de tensão mais baixa se beneficiam ao oferecer uma solução de conversão de potência eficiente e de baixo custo. Os designs baratos de silício em série de baixa tensão são adequados para o ambiente automotivo.
Biografia da autora
Bonnie Baker é uma profissional experiente em analógicos, sinal misto e cadeia de sinais, e engenheira eletrônica. Baker é autora de centenas de artigos técnicos e blogs em publicações do setor. Ela também é autora de A Baker's Dozen: Real Analog Solutions for Digital Designers, bem como co-autora de vários outros livros. Em funções anteriores, ela trabalhou como modelagem, marketing estratégico, arquiteta IC e designer de engenheira. Baker tem mestrado em engenharia elétrica pela University of Arizona, Tucson, Arizona, e é bacharel em educação musical pela Northern Arizona University (Flagstaff, AZ).
Link para o artigo original em inglês: https://br.mouser.com/applications/wide-bandgap-road-high-performance-automotive-power-electronics/?utm_medium=email&utm_campaign=elq-21.0804-techapp-powermanagement-en-b
