Les progrès réalisés dans les semi-conducteurs de puissance permettent aux chargeurs rapides à courant continu Niveau 3 de surmonter « l'angoisse liée à l'autonomie » des VE

Par Steven Shackell, Développement Activités Industrielles, ON Semiconductor.

Résumé

L'adoption des véhicules électriques (VE) est encore entravée par la « l'angoisse de l’autonomie » et la réticence à attendre des heures sur la route que la batterie se recharge. Cependant, les chargeurs rapides à courant continu promettent de réduire l'attente à quelques minutes, tandis qu’un nombre croissant de stations de recharge sont déployées dans tout le pays. Ces chargeurs de grande puissance, pouvant atteindre 350 kW, doivent avoir un rendement énergétique aussi élevé que possible pour être rentables, en utilisant les toutes dernières topologies de conversion d'énergie et les toutes dernières technologies de commutation à semi-conducteurs. Cet article examine l'approche de conception typique, certaines des options et des compromis en matière de composants de puissance, ainsi que les avantages que peuvent apporter les tout derniers semi-conducteurs à bande interdite large.

Article

Les véhicules électriques sont sans aucun doute en voie d'une large acceptation, avec une croissance des ventes d'environ 60% [1]. Toutefois, la même analyse montre que la pénétration du marché ne sera encore que de 2,2% à fin 2018. Il reste donc du chemin à parcourir avant que les VE ne deviennent majoritaires. L'engagement des constructeurs est pourtant là, avec plus de 400 modèles de véhicules électriques qui devraient être disponibles d'ici 2023.

Plusieurs facteurs influencent la décision de renoncer aux véhicules à moteur thermique ; hors le coût d’acquisition, c’est « l’angoisse  liée à l'autonomie » qui reste très forte. Pour les petits trajets et les déplacements locaux, il n'y a pas vraiment de problème, car on peut « refaire le plein » avec un chargeur domestique pendant la nuit, mais toujours avec la crainte que les 400 ou 500 km d'autonomie promis ne soient pas suffisants pour des trajets plus longs, en particulier dans les régions où les points de recharge publics sont peu nombreux et éloignés les uns des autres. Si la recharge prend des heures quand on est loin de chez soi, la viabilité du VE devient alors très difficile à vendre. Même la recharge à domicile d'une batterie de 100 kWh complètement déchargée comme dans une Tesla peut prendre 14 heures à partir d'une alimentation 240 V monophasée, ce qui laisse à peine assez de temps avant de repartir le lendemain. Il existe cependant des chargeurs « rapides » à courant continu capable d'assurer la recharge en minutes plutôt qu'en heures.

Les chargeurs sont classés par « Niveaux »

Il existe différentes options de recharge pour la maison, dans l'entreprise et sur la route, mais on considère en général qu’un chargeur « Niveau 1 » utilise une prise de courant ordinaire (120 V monophasé aux Etats-Unis ou 230/240 V monophasé en Europe) et offre la vitesse de charge la plus lente. Le « Niveau 2 » utilise du 240 V monophasé, ou parfois du 400 V triphasé, avec une station de charge équipée d'un contrôle et d'une protection intégrés, mais que l’on peut encore installer à domicile et qui permet une charge plus rapide. Les deux Niveaux 1 et 2 s’appuient sur le chargeur embarqué du véhicule pour générer le courant continu dont la batterie a besoin. Le Niveau 3 correspond à la charge directe en courant continu de la batterie à partir d'un convertisseur fixe CA-CC, généralement installé dans une station-service, et nécessitant une alimentation en courant alternatif triphasé. Avec un tel système, compte tenu de la puissance maximale disponible, soit 350 kW, le temps de charge est réduit à quelques minutes, comme pour faire le plein d'un véhicule à moteur thermique. La Figure 1 résume les performances des chargeurs de VE correspondant aux trois niveaux définis aux États-Unis.



Niveaux et performances des chargeurs (Etats-Unis)

Technologie de chargeur rapide

Les chargeurs Niveau 3, avec des puissances allant jusqu'à 350 kW, sont les plus difficiles à concevoir. Le coût est toujours une priorité, mais le rendement de conversion est également essentiel. Chaque watt gaspillé augmente la facture d'électricité, réduit l'énergie disponible pour la batterie et augmente le temps de charge. L'énergie dissipée sous forme de chaleur réduit aussi l'avantage environnemental du VE. Un rendement élevé permet aussi de diminuer les besoins de refroidissement, ce qui contribue à réduire les coûts et l'encombrement. Un schéma typique de chargeur à courant continu rapide est illustré en Figure 2, avec les principaux éléments mis en évidence.



Schéma typique d'un chargeur à courant continu rapide. Source : On-Semi

Avec plusieurs kilowatts, le redressement du courant alternatif triphasé et la compensation du facteur de puissance sont généralement mis en œuvre avec un pont redresseur PWM triphasé (aussi appelé « redresseur de Vienne »). Celui-ci peut avoir deux formes différentes (Figure 3). La topologie 1 utilise moins de composants et présente le rendement le plus élevé, mais les diodes doivent être des modèles 1 200 V relativement coûteux, et une commande complexe est nécessaire pour les 6 commutateurs. La topologie 2 n'utilise quant à elle que 3 commutateurs et nécessite une commande moins complexe, et les diodes peuvent être des modèles 600 V, mais le rendement est moindre, car plus de diodes sont présentes dans les chemins de conduction. Dans les deux cas, on peut utiliser des MOSFET haute tension Si ou SiC, mais pour réduire les coûts, on peut aussi envisager d'utiliser des IGBT si la fréquence n’est pas trop élevée. Les dispositifs peuvent être choisis dans la gamme ON Semiconductor ^® [2]. Par exemple, leurs composants « Field Stop 4 » existent en 650 V ou 950 V, avec une vitesse de commutation basse, moyenne ou haute, différentes tensions de saturation et différentes valeurs EOFF, qui indiquent les pertes dynamiques. Dans le cas de tensions nominales plus élevées, telles que nécessaires dans le cas d’un demi-pont redresseur triphasé à IGBT, les composants « Ultra Field Stop » 1 200 V d'ON Semiconductor sont existent aussi en version basse ou haute vitesse, avec les meilleures valeurs VCESAT et EOFF de leur catégorie.



Topologies de type « redresseur de Vienne »

L'étage « redresseur de Vienne » produit un bus haute tension régulé pour l'étage principal de conversion continu-continu, qui peut faire appel à différentes topologies. Les implémentations courantes sont le pont entrelacé LLC ou LLC à 3 niveaux, comme illustré en Figure 4. La version entrelacée peut utiliser des MOSFET SuperJonction 650 V dans la mesure où chaque MOSFET ne voit que la moitié de la tension d'alimentation. Ces dispositifs peuvent provenir de la gamme de SuperFET^® III d'ON Semiconductor, qui se décline en trois versions : « Easy Drive », avec résistance de grille intégrée pour réduire les parasites électromagnétiques et les pics de tension, « Fast » pour un rendement maximal dans le cas d'applications de commutation directe, et « version FRFET^® » avec diode rapide pour des performances optimales dans le cas de convertisseurs résonants type LLC.



Topologies de convertisseurs alternatives

Pour un rendement et une densité de puissance plus élevés, on peut utiliser des MOSFET SiC 900 V ou 1 200 V, le coût plus élevé de ces composants étant compensé par des composants magnétiques plus petits et une fréquence de commutation plus élevée. La tension nominale élevée permet d'utiliser un seul pont en H sans entrelacement, avec moins de commutateurs, ce qui permet aussi de réduire les coûts. Pour les applications à coût très sensible, on peut utiliser les IGBT 650 V ou 1 200 V de la gamme « Field Stop » d'ON Semiconductor, mais à une fréquence de commutation plus basse, donc avec des composants magnétiques plus gros et plus chers. Les diodes de sortie peuvent être des modèles silicium « Stealth » ou « Hyperfast » 1 200 V, ou pour des pertes encore plus faibles, des modèles SiC 1 200 V.

La topologie LLC à 3 niveaux utilise moins de diodes et de commutateurs avec leurs commandes de grille isolée associées, et bien que trois transformateurs soient nécessaires, les ondulations de sortie sont beaucoup plus faibles. Là encore, on peut utiliser des MOSFET ou des IGBT Si SuperJunction ou SiC, en fonction de l’objectif performances/coût recherché.

Les dispositifs SiC à large bande (WBG) permettent d'améliorer considérablement les performances

L'utilisation de commutateurs et de diodes SiC à large bande présente de multiples avantages : la commutation rapide à tension élevée avec de faibles pertes permet de réduire le coût, la taille et le poids du système, tout en économisant de l'énergie. Des expériences comparant une solution silicium utilisant un redresseur de Vienne et un convertisseur LLC Full Bridge, par rapport à un redresseur PFC demi-pont triphasé en carbure de silicium et un convertisseur LLC Full Bridge, ont montré, pour la version SiC, une amélioration de puissance de 25%, une réduction de poids de 22%, et une réduction de volume de 62%, le tout avec 20% de composants en moins, ce qui améliore la fiabilité.

Les conditionnements progressent aussi

Pour tirer le maximum des semi-conducteurs de puissance, il faut souvent jouer sur le conditionnement, en particulier aux fréquences de commutation élevées, auxquelles certains effets parasites comme les inductances des fils peuvent dégrader les performances. Certaines innovations ON Semiconductor, comme les boîtiers PQFN, LFPAK et TO-leadless (sans pattes), répondent à ce problème tout en offrant des performances thermiques améliorées. Pour réduire sensiblement le temps d'assemblage et le nombre de composants utilisés dans les chargeurs, le recours à des modules de puissance intégrés (PIM) peut être envisagé, avec plusieurs dispositifs dans un même boîtier, notamment un assortiment d'IGBT, de MOSFET Si et SiC, et de diodes Si et SiC, selon le cas, ainsi que d'autres composants comme des résistances de détection. La performance des PIM pré-assemblés est garantie, ce qui évite les risques de développement, réduit le nombre de composants nécessaires, et permet une commercialisation plus rapide.

Conclusion

Les semi-conducteurs de puissance de dernière génération utilisés dans les topologies de conversion de puissance à haut rendement permettent de concevoir des chargeurs de VE rapides à courant continu, qui répondent au problème de « l'angoisse liée à l'autonomie ». ON Semiconductor intègre verticalement tous les processus de fourniture des IGBT, des MOSFET et des diodes Si et SiC, pour fournir des solutions de puissance complètes, ainsi qu'une gamme complète de composants support, tels que des contrôleurs analogiques et numériques, des drivers de grille isolée, des amplificateurs de détection de courant à faible perte, et des photocoupleurs.

www.onsemi.com

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