От горючего топлива до технологии беспроводной зарядки: развитие в движении

Эта статья поясняет причины развития электрических средств передвижения, акцентируя внимание на такие распространенные по всему миру устройства, как электровелосипеды и электромобили, особенно в развивающихся регионах. Для этих новых средств передвижения потребовалось полное переосмысление технологии зарядки - в первую очередь с целью сокращения времени зарядки при соблюдении строгих требований к безопасности. Сейчас используются интегрированные высоковольтные микросхемы, удовлетворяющие потребности этих современных энергосистем.

Упрощение способности человека (а также его личных вещей по мере возможности) перемещаться из пункта А в пункт Б всегда являлось сложной задачей. В стремлениях получить компактный источник энергии, который может быть использован в транспортных средствах, человечество прошло длинный путь от систем, приводимых в движение с помощью мускульной силы, водяного пара и энергии сгорания топлива до суперконденсаторов (ионисторов). Инженеры пытались использовать любой способ накопления энергии, включая стальные пружины и маховики.

Преимущественное большинство транспортных средств оснащено двигателями внутреннего сгорания, при этом их ведущие колеса соединены с механической трансмиссией. От скутеров до грузовиков, ДВС занимали доминирующее положение в транспортных средствах. Но с появлением альтернативных конструкций трансмиссий и систем хранения энергии распространение на рынке электрических видов транспорта стало неизбежным явлением. В каждом отдельно взятом случае твердотельные накопители энергии замещали их аналоги в любой сфере, для которой они были созданы.

Повсеместное использование электромобилей

Появление силовой электроники нового поколения вдохнуло новую жизнь в электрические средства передвижения. Новым решениям и технологиям характерны компактные размеры, увеличенные удельная мощность и эффективность, а также сниженное тепловыделение. В следующем поколении легковых автомобилей будут решены проблемы с предельной дальностью поездки. Такие коммерческие транспортные средства, как электроавтобусы и автономные грузовые машины, уже начинают появляться на рынке.

Одной из сфер, про которую часто забывают в развитых странах, является использование двух- и трехколесных транспортных средств с электрическим приводом. Роль электровелосипедов, мотоциклов и тележек в развивающемся мире сложно недооценить. Это не просто высоконадежные и эффективные транспортные средства общего назначения. Устройства этой категории вытесняют с рынка шумные двухтактные двигатели, способствуя очищению окружающей среды. Внедрение таких устройств обеспечивает существенные выгоды для всей экономики в целом.

Некоторые страны даже приняли законы, поощряющие использование электровелосипедов. Власти Китая прекратят выдачу новых лицензий на использование велосипедов с ДВС в пользу электровелосипедов. В каждой отрасли, занимающейся производством средств передвижения, важнейшими критериями являются габариты, масса и плотность энергии, и это стимулирует развитие усовершенствованных систем управления энергопотреблением. С распространением электротранспорта увеличивается потребность в росте количества зарядных станций, а также их усовершенствовании. При этом резко возрос спрос на поддержку технологии быстрой зарядки с более высокими параметрами напряжения и силы тока.

Пути решения проблем

Необходимость в создании компактных, быстрых и мощных устройств ставит сложную задачу перед инженерами. Никто не желает использовать медленное зарядное устройство, однако мало кто хочет использовать неудобные кабеля и разъемы для зарядки своего электротранспорта. Потребитель нуждается в источнике питания с высокой плотностью мощности тока без проблем с перегревом.

Каждое требование сопряжено с решением целого ряда сопутствующих проблем. В связи с повышенной плотностью мощности и необходимостью управления электрическим током возникает необходимость в контроле температурных показателей, создании специальных отверстий, присоединительных элементов и кабелей. Повышенные прочность и долговечность прямо влияют на габариты и стоимость изделий. Стремление к сокращению денежных и временных затрат может послужить причиной несовершенства конструкций изделий с последующими сбоями в их работе.

Рассмотрим пути решения возникающих проблем.

Увеличение мобильности

Для удовлетворения данной потребности, Power Integrations, предлагает решения на основе встроенных высоковольтных интегральных схем. Устройства, используемые в передовых энергосистемах, должны обладать такими особенностями, как ограничения максимального тока и автоматическое отключение при возрастании температуры, возможность изменения величины частоты с целью уменьшения электромагнитных помех и высокие частоты переключения для возможности использования более компактных магнитных компонентов.

Например, TOPSwitch ™ -JX от Power Integrations включает в себя 725 В МОП-транзистор, высоковольтный источник коммутируемого тока, многорежимное ШИМ-управление и дополнительные функции защиты в рамках одного экономически эффективного устройства. Это устройство демонстрирует энергоэффективность по всему диапазону нагрузки, и при условиях отсутствия нагрузки потребляет менее 70 мВт от источника переменного тока 230 В.

Другим примером является высокоинтегрированная микросхема HiperLCS ™, представляющая собой резонансный преобразователь (LLC) с многофункциональным контроллером, драйверами высокой и низкой стороны и двумя мощными МОП-транзисторами работающей в топологии полумост. Подобные устройства способны сэкономить десятки компонентов в цепи обвязки, снизить стоимость сборки и значительно уменьшить размер магнитных компонентов благодаря применению керамических выходных конденсаторов SMD.

Рисунок 1. Наглядная демонстрация низкого числа компонентов в HiperLCS

Уменьшение количества компонентов

Снижение количества внешних силовых компонентов является важнейшим требованием, предъявляемым к системе. Еще один пример, устройство HiperTFS ™ -2 компании Power Integration, состоящее из мощного двухтактного преобразователя и преобразователя режима ожидания (standby) средней мощности в формате единого низкопрофильного корпуса eSIP ™. Микросхема содержит: контроллеры прямоходового двухтактного и обратноходового преобразователя, драйверы высокой и низкой стороны, три высоковольтных силовых МОП-транзистора. Так же отсутствует необходимость в использовании нескольких дорогих импульсных трансформаторов.

HiperTFS ™ -2 идеально подходит для использования в системах высокой мощности, для которых требуется как основной силовой преобразователь (прямоходового двухтактного) до 586 Вт, так и резервный преобразователь (обратноходовой) до 20 Вт. Микросхема функционирует в широком диапазоне входных напряжений как самостоятельный преобразователь или же может быть установлена после устройства коррекции коэффициента мощности, такого как HiperPFS ™ -4 со встроенным источником напряжения, что позволяет отказаться от дополнительной обмотки трансформатора и цепи питания, которые необходимы в классических схемах. Особенно важно то, что данное решение соответствует требованиям системы к высокой эффективности и надежности, и при этом не приводит к снижению эффективности в связи с сокращением количества используемых компонентов.

Рисунок 2. Двухтактный основной преобразователь и преобразователь режима ожидания.

Благодаря высокой интеграции появляется возможность выпуска устройств с меньшими габаритными размерами, при этом обеспечиваются преимущества во всей системе с учетом более высокой плотности мощности, уменьшенного количества компонентов при использовании контроллеров управления, драйверов затвора и силовых полевых МОП-транзисторов.

Увеличение эффективности

Семейства устройств HiperPFS-3 задают новый уровень интеграции, объединяя в одном компактном корпусе повышающий контроллер коэффициента мощности для режима непрерывной проводимости (ССМ), драйвер затвора, диод с ультранизким временем обратного восстановления и высоковольтный силовой MOSFET. Кроме того, устройства серии HiperPFS-3 имеют цифровую схему оптимизации работы на низких нагрузках, который позволяет добиться коэффициента мощности более чем 0,92 уже при 20% нагрузки, а так же снижает собственное потребление без нагрузки ниже 60 мВт.

Рисунок 3. HiperPFS-3 - Обратите внимание на встроенный повышающий диод непрерывного режима проводимости и упрощенную сеть обратной связи, питающую интегрированный нелинейный усилитель через выход FB.

В HiperPFS-3 применяется режим непрерывной проводимости с переменной частотой, что позволяет минимизировать потери за счет низкой средней рабочей частоты и модуляции этой частоты в каждом полупериоде. Дополнительно подавляются пики ЭМИ. В системах построенных на HiperPFS-3 снижаются требования к X и Y конденсаторам и индуктивности для обоих дросселей – повышающего и фильтрующего ЭМИ. Таким образом уменьшаются размеры готового устройства и снижается стоимость.

Микросхемы HiperPFS-4 используют алгоритм контроля при котором отпадает необходимость во внешних токочувствительных резисторах и сопутствующих их использованию потерях, применяется переменная рабочая частота в зависимости от выходной мощности, напряжения входной цепи и в течении цикла входного переменного напряжения. Это позволяет максимально повысить эффективность, особенно при низких нагрузках, и минимизировать значения компонентов фильтра ЭМИ за счет распределения рабочих частот в широком диапазоне.

Устройства HiperPFS также оснащены встроенным нелинейным усилителем сигнала ошибки для увеличения скорости реагирования на изменения нагрузки, программируемым сигналом Power Good (PG), а также возможностью выбора значения мощности конечным пользователем. Защитные функции включают в себя: защита от пониженного напряжения, защита от повышенного напряжения, защита от преднамеренных колебаний напряжения, защита от перегрева с функцией автоматического восстановления, ежецикловое ограничение тока, безопасный рабочий диапазон (SOA) силового МОП-транзистора, ограничение выходной мощности для защиты от перегрузки и защиты от короткого замыкания выводов микросхемы.

Эффективность без необходимости коррекции коэффициента мощности

Эталонный дизайн DER-447 представляет решение с высокой эффективностью без корректора коэффициента мощности. 184 Вт источник питания со стабилизацией по напряжению и току использует микросхемы HiperLCS LCS705HG и LinkSwitch™-TN LNK302D. Данное решение работает при входном напряжении от 90 до 132 В переменного тока и позволяет питать нагрузку до 184 Вт (23 В, 0,5-8 А). Микросхема LLC высокой интеграции позволяет значительно сократить количество используемых компонентов. LNK302D используется в обратноходовой топологии как источник вспомогательного питания цепей контроля первичной и вторичной стороны. Цепь контроля вторичной стороны работает в режиме постоянного тока или напряжения и применяется в устройстве зарядки аккумуляторных батарей.

Рисунок 4. Выходная CV-CC характеристика устройства DER-447, демонстрирующая высокий уровень стабильность по всем диапазоне.

DER-580 - это конструкция обратноходового преобразователя 118 Вт, работающего в сетях переменного тока с напряжением от 180 В до 264 В, и выходными характеристиками тока 59 В и 2,0 А для зарядки аккумуляторов. Данное решение с высоким показателем мощности также содержит низкое количество компонентов и способна функционировать на частоте 66 кГц при высокой степени эффективности (> 90% при 230 В переменного тока). При зарядных токах ниже ~ 0,5 А переключатели выходного напряжения формируют напряжение зарядки от 59 В до плавающей разности потенциалов в 56 В для поддержания заряда батареи без необходимости перезарядки.

Рисунок 5. Выходная CV-CC характеристика DER-580, демонстрирующая шаг напряжения невысокой нагрузки для обеспечения поддержки режима зарядки и плавающего напряжения в зависимости от состояния заряда.

Устройство создано на основе TOPSwitch TOP267EG без коррекции коэффициента мощности на входе и предназначено для работы в корпусе без вентилятора. В его состав входит термический выключатель, снижающий лимиты тока при повышенной температуре (тепловой откат) с целью обеспечения непрерывного процесса зарядки при уменьшенном выходном токе без отключения в связи с повышением температуры. Подобные устройства максимизируют производительность без снижения уровня безопасности или надежности системы, и при этом обеспечивают требуемую функциональность.

Дальнейшее развитие

При создании энергетических систем для последующего поколения усовершенствованных электромобилей должны учитываться повышенные требования к габаритам, плотности мощности, надежности и производительности. Использование высокоинтегрированных микросхем, предназначенных для максимизации преимуществ каждого компонента в системе, будет в значительной мере способствовать решению этих проблем.

Авторы:

Крис Ли, менеджер по маркетингу продуктов в компании Power Integrations

Аликс Паутре, исследователь отрасли

Статья Power Integrations. Перевод Макро Групп. Ссылка на оригинал статьи.