Les chargeurs embarqués (OBC) résolvent un problème majeur dans le fonctionnement des véhicules électriques (VE). En convertissant le courant alternatif du réseau en courant continu compatible avec la batterie, ils rendent tout simplement le rechargement de véhicules électriques possible. Avec l’arrivée chaque année sur le marché de nouveaux modèles de véhicules électriques de tailles et d’architectures variées, la mise en œuvre des chargeurs embarqués devient de plus en plus complexe. En outre, comme l’industrie tend à gérer des tensions de batterie plus élevées pour une charge plus rapide, et que lacharge bidirectionnelledevient plus courante, les concepteurs de systèmes doivent prendre des décisions majeures concernant les topologies et les matériaux à utiliser dans leurs offres d'OBC. Cet article de blog présente une vue d’ensemble des OBC et compare les choix de matériaux pour leur construction.

Présentation des OBC

Les normes mondiales en matière d’émissions de CO₂ sont de plus en plus contraignantes. En conséquence, la demande de capacité de charge dépasse la disponibilité des chargeurs rapides à courant continu (niveau 3), ce qui crée une demande pour les chargeurs embarqués. Les chargeurs embarqués se composent de plusieurs éléments principaux, comme l’illustre la figure 1 ci-dessous :

Le courant alternatif provenant du réseau électrique traverse un filtre d’interférence électromagnétique (EMI) pour atténuer le « bruit » provenant de sources externes et empêcher l’OBC d’émettre du bruit vers le réseau. Ensuite, le courant entre dans le premier des deux étages principaux de l’OBC, appelé étage de correction du facteur de puissance (PFC). L’étage PFC convertit le courant alternatif en courant continu tout en réduisant considérablement la distorsion de phase des formes d’onde de la tension et du courant d’entrée. Cette étape permet d’obtenir un facteur de puissance supérieur à 0,9 afin de minimiser l’injection de puissance réactive dans le réseau. Le courant entre ensuite dans un convertisseur CC-CC isolé pour adapter la tension et le courant de sortie à l’état de charge de la batterie, en assurant une isolation galvanique entre l’entrée et la sortie.

Topologies et matériaux PFC

Les OBC peuvent utiliser une multitude de topologies PFC, en fonction du nombre de phases CA d’entrée et de la puissance de sortie du réseau fournie à l’OBC. L’entrée CA monophasé utilise généralement une configuration traditionnelle de type boost ou totem-pôle. Pour les conceptions bidirectionnelles, le PFC utilise la configuration totem-pôle. Les ingénieurs peuvent configurer le PFC totem-pôle pour un fonctionnement monophasé ou triphasé, qui peut fonctionner dans un ou deux sens.

PFC Boost traditionnel

Le PFC Boost traditionnel est facile à mettre en œuvre, permet un faible bruit EMI et fournit une puissance modulable en entrelaçant les phases. L’utilisation de diodes réduit la complexité, mais nuit à l’efficacité. Le PFC traditionnel convient le mieux à l’entrée CA monophasée de l'OBC et est unidirectionnelle. Les dispositifs idéaux pour cette topologie sont le MOSFET à super jonction (SJ), le transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) et la diode en carbure de silicium (SiC).

PFC Boost sans pont

Le PFC Boost sans pont convient également à l’OBC monophasé et ne subit pas de pertes de pont comme le boost traditionnel. Cependant, la diode du MOSFET inactif réduit l’efficacité de la correction de puissance, ce qui limite son utilité pour les OBC.

PFC totem-pôle

Comme le PFC boost traditionnel est rentable mais moins efficace, le PFC sans pont totem-pôle offre la meilleure efficacité, mais à un coût plus élevé. L’efficacité est la plus élevée avec des matériaux à large bande sur les branches rapides, en particulier en mode de conduction continue (CCM) et en mode de conduction triangulaire (TCM). Il prend en charge le flux de puissance bidirectionnel, mais il est complexe à mettre en œuvre. Les choix de dispositifs pour le PFC sans pont totem-pôle comprennent le MOSFET SiC (branches rapides) et l’IGBT (branches lentes) pour le CCM et le MOSFET Si pour les modes TCM.

Cas d’utilisation SiC versus IGBT

Les exigences variables en matière de puissance des nouveaux systèmes de charge des VE offrent aux ingénieurs la possibilité d’exploiter différentes options de dispositifs à semi-conducteurs pour améliorer l’efficacité ou le coût de leur système. Voici une synthèse des choix de matériaux PFC dans les chargeurs embarqués.

MOSFET SiC

Matériaux robustes, les MOSFET SiC sont adaptés à tous les niveaux de puissance et à toutes les topologies. Ils conviennent parfaitement aux OBC à haut rendement dans les véhicules électriques de luxe ou hautes performances. Une meilleure gestion thermique assure une charge rapide à ces applications, ainsi qu’à d’autres qui nécessitent des fréquences de commutation élevées avec de faibles pertes. Les MOSFET SiC sont recommandés pour une utilisation dans les solutions PFC, de conversion CC-CC côté primaire et de redressement côté secondaire (bidirectionnel) dans les systèmes de batteries 800 V en raison de leur efficacité et de leur densité de puissance élevées par rapport aux IGBT ou aux MOSFET Si SJ.

IGBT

Les IGBT conviennent également à la plupart des topologies PFC 400 V et à l’étage CC-CC, bien que les pertes plus élevées à 11 kW et 22 kW réduisent leurs performances par rapport au SiC. Ils sont adaptés aux applications sensibles au coût dans les VE de milieu de gamme et aux applications à fréquence de commutation plus basse dans lesquelles le rapport coût-efficacité est une priorité.

MOSFET Si SJ

Ces dispositifs s’appliquent à un cas d’utilisation plus restreint : l’amplification et l’amplification sans pont en dessous de 7,2 kW de puissance. L’ajout d’une topologie de Vienne pour les niveaux de puissance de 11 kW et 22 kW peut améliorer les performances dans ces applications. Les MOSFET SiC SJ peuvent être utilisés dans les systèmes de batteries de 400 V pour l'étage PFC et CC-CC.

En général, les deux meilleures options sont les MOSFET SiC et les IGBT pour la performance et la flexibilité de la conception du système.

Analyse comparative SiC versus IGBT

Les MOSFET SiC offrent un meilleur rendement à des tensions et des fréquences élevées, ce qui les rend idéaux pour les applications nécessitant un rendement élevé et des conceptions compactes en raison de leur faible perte de puissance. En outre, ces dispositifs offrent des performances supérieures qui permettront aux véhicules électriques dotés d'une architecture 800 V d’être utilisés dans des applications exigeantes nécessitant une puissance et un rendement élevés.

Cependant, l’IGBT a créé une nouvelle opportunité pour les applications où la rentabilité est plus importante que l'optimisation de l’efficacité. Ce scénario présente également un avantage en termes de coûts pour les fabricants de systèmes, car l’IGBT offre des performances suffisantes du côté secondaire pour les véhicules électriques 400 V.

Conclusion

Les OBC convertissent la tension alternative du réseau en tension continue adaptée à la charge des batteries, ce qui représente la majorité de la charge des VE. Le choix des dispositifs et des topologies appropriés pour les OBC est crucial pour optimiser les performances et l’efficacité de la recharge des VE. Les différents dispositifs et topologies ne sont que des compromis et il revient aux concepteurs de choisir la meilleure mise en œuvre pour l’application. Les MOSFET SiC sont essentiels pour les applications à haut rendement et à haute tension, tandis que les IGBT offrent une alternative rentable pour les systèmes à basse tension. En comprenant les compromis et les cas d’utilisation des différents composants, les concepteurs peuvent prendre des décisions en connaissance de cause pour l’amélioration des performances globales de leurs solutions de recharge pour véhicules électriques.

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