Компоненты Infineon для формовки аккумуляторных элементов питания

23 августа 2019

управление питаниемответственные примененияInfineonстатьяинтегральные микросхемыисточники питаниядискретные полупроводники

Виктор Чистяков (г. Малоярославец)

Один из важнейших технологических процессов в производстве литий-ионных аккумуляторов – электрохимическая формовка. Infineon предлагает новые компоненты для построения систем электропитания этого процесса.

С повсеместным распространением смартфонов, планшетов, электронных игрушек, электроинструментов, персонального электрического транспорта и других устройств на электрической тяге неуклонно растет спрос на литий-ионные аккумуляторы. В связи с этим возникает потребность в наиболее эффективных технологиях производства аккумуляторных элементов, способных обеспечивать необходимую емкость при эксплуатации, а также полноценные заряд при накоплении энергии и разряд при использовании аккумуляторной батареи (АКБ).

В технологическом процессе изготовления отдельных аккумуляторных элементов финальным и наиболее ответственным этапом является электрохимическая формовка или формирование электродных пластин. От успешности процесса формовки зависит эффективность в последующем заряда/разряда и срок службы АКБ. Этот длительный и энергоемкий производственный этап значительно увеличивает затраты на производство и стоимость выпускаемых батарей.

При формовке химическая структура каждого собранного на заводе аккумуляторного элемента активизируется с помощью выполняемых большим током и с высокой точностью нескольких циклов заряда/разряда. Тщательное соблюдение технологических норм формирования пластин имеет большое влияние на срок службы, качество и стоимость АКБ.

Типы систем электроснабжения при формировании АКБ

Сегодня этап формовки АКБ считается узким местом в производственном процессе, он может длиться до нескольких дней, в зависимости от технологии производителя и химической структуры аккумуляторных элементов. Поэтому эффективным способом снижения затрат при изготовлении аккумуляторов является увеличение количества каналов для одновременного формирования элементов АКБ. Смена направления потока энергии (рециклинг энергии) позволяет попеременно выполнять в одном канале и заряд, и разряд.

На рисунке 1 представлена обобщенная блок-схема импульсного источника питания для формирования литий-ионных элементов АКБ. Схема включает три каскада. К одно- или трехфазной электрической сети подключается преобразователь AC/DC с корректором коэффициента мощности (ККМ, или PFC), далее следует гальванически развязанный по выходу (изолированный) преобразователь с понижением постоянного напряжения (DC/DC) до 12 или 24 В. Завершающим каскадом цепочки является неизолированный синхронный понижающе-повышающий DC/DC-преобразователь, который управляет током заряда/разряда отдельных АКБ.

Рис. 1. Блок-схема ИИП для формирования литий-ионных элементов

Рис. 1. Блок-схема ИИП для формирования литий-ионных элементов

На рисунках 2, 3 и 4 представлены примеры различных типов систем формирования батарей с рециркуляцией энергии, в которых изолированный DC/DC-преобразователь обычно обслуживает несколько каналов в виде неизолированных DC/DC-преобразователей, формирующих элементы АКБ.

Традиционная схема (рисунок 2) включает в себя синхронный понижающе-повышающий импульсный преобразователь с рециркуляцией электроэнергии. Тогда как в других каскадах (с ККМ и в изолированном DC/DC) поток энергии имеет одно направление (из сети). Такой энергетический рециклинг основан на контролируемых по времени процессах зарядки/разрядки в каждом понижающе-повышающем преобразователе или в их комплекте. Возврат энергии в цикле разряда не может быть полным из-за разброса параметров аккумуляторов.

Рис. 2. Система формирования АКБ с ограниченной рециркуляцией энергии и неизолированным повышающе-понижающим выходным каскадом

Рис. 2. Система формирования АКБ с ограниченной рециркуляцией энергии и неизолированным повышающе-понижающим выходным каскадом

Система формирования АКБ со сквозным реверсивным потоком энергии показана на рисунке 3. В отличие от традиционного подхода, в этой схеме энергия разряда может передаваться от элементов, формируемых АКБ, обратно в источник энергии через изолированный каскад DC/DC и входной каскад с ККМ. Уровень мощности заряда и разряда такой системы обычно составляет несколько киловатт.

Рис. 3. Система с двунаправленным потоком энергии (от батареи до сети переменного тока)

Рис. 3. Система с двунаправленным потоком энергии (от батареи до сети переменного тока)

На рисунке 4 представлена блок-схема полуреверсивной системы формирования АКБ, которая используется на крупных предприятиях по выпуску литий-ионных элементов. Такая система мощностью 10…30 кВт обычно имеет однонаправленный трехфазный входной каскад с ККМ и несколько подключенных реверсивных изолированных каскадов DC/DC мощностью в несколько киловатт. Каждый из каскадов DC/DC имеет различные выходные напряжения для работы с синхронными понижающе-повышающими преобразователями. Рециркулируемая энергия возвращается на шину высокого напряжения (обычно +400…-400 В) через реверсивный изолированный преобразователь постоянного тока. Эта высоковольтная шина также служит интерфейсом для подключения различных нагрузок постоянного тока, накопителей электрической энергии и возобновляемых источников энергии (таких как солнечные батареи).

Рис. 4. Система с полуреверсивной высоковольтной шиной для рециркуляции энергии

Рис. 4. Система с полуреверсивной высоковольтной шиной для рециркуляции энергии

Топология однонаправленных и реверсивных преобразователей с ККМ

Итак, системы формирования АКБ состоят из трех каскадов. Рассмотрим теперь схемные решения (топологию) для одного из них – преобразователя сетевого напряжения (однонаправленного или реверсивного типов) с ККМ.

Однонаправленные преобразователи

На рисунке 5 показаны преобразователи: a) однофазный, работающий в режиме непрерывной проводимости (Continuous Conduction Mode, CCM) с ККМ; б) трехфазный повышенной мощности с выпрямителем Vienna.

Топология CCM boost с ККМ часто используется в простых традиционных системах формирования АКБ. Трехфазный активный ККМ по схеме моста Виенна применяется в полуреверсивных системах формирования. Управление коммутирующими MOSFET в обеих схемах на рисунке 5 выполняет внешний контроллер.

Рис. 5. Однонаправленный каскад с ККМ: a) однофазный повышающий преобразователь CCM; б) трехфазный выпрямитель Виенна

Рис. 5. Однонаправленный каскад с ККМ: a) однофазный повышающий преобразователь CCM; б) трехфазный выпрямитель Виенна

Для эффективного преобразования энергии в качестве активного переключателя в схемах с ККМ компания Infineon рекомендует использовать CoolMOS™ 600 V серий C7 и P7. В качестве пассивного переключателя рекомендуется применять диод Шоттки CoolSiC™ 650 V G6. Минимальное падение прямого напряжения на нем, составляющее всего 1,25 В, снижает потери в проводимости каскада PFC.

В выпрямителе Vienna используют MOSFET с минимальным RDS(on). Требуемое напряжение пробоя для выпрямительных диодов такое же, как выходное напряжение (800 В), поэтому диод Шоттки CoolSiC™ 1200 В G5 в этом случае подойдет. 

Реверсивные преобразователи

В однофазных реверсивных каскадах с ККМ обычно используют двухтактные повышающие преобразователи. В зависимости от заданных требований, разработчики выбирают режимы Critical Current Mode (CrCM) или CCM.

Преобразователи, работающие в режиме CrCM, имеют четыре активных переключателя, как показано на рисунке 6a. Из них два работают на высокой частоте преобразования, и два (QC и QD) – на частоте сети электропитания. Потери энергии, обусловленные, в основном, проводимостью канала «сток-исток», можно минимизировать за счет выбора MOSFET с наименьшим значением RDS(on). Например, можно использовать CoolMOS™ S7. В двухтактных преобразователях, работающих в режиме CrCM, рекомендуется также использовать CoolMOS™ CFD7 с быстрыми встроенными диодами и низким RDS(on). MOSFETы этого семейства позволяют работающим в режиме CrCM преобразователям передавать относительно высокие пиковые токи в сравнении с повышающими двухтактными преобразователями, работающими в режиме CCM (рисунок 6б).

Рис. 6. Реверсивный каскадс ККМ: a) однофазный двухтактный повышающий преобразователь CrCM; б) двухтактный повышающий преобразователь CCM

Рис. 6. Реверсивный каскадс ККМ: a) однофазный двухтактный повышающий преобразователь CrCM;
б) двухтактный повышающий преобразователь CCM

Топологии изолированных и неизолированных DC/DC-преобразователей

Изолированный однонаправленный DC/DC-преобразователь

Среди схем преобразователей уровней постоянного тока, используемых в системах формирования АКБ, широкое распространение получили представленные на рисунке 7 схемы полумостового преобразователя LLC и мостового преобразователя с переключением при нулевом уровне напряжения (Zero Voltage Switch, ZVS). После расчета резонансных цепей разработчику следует выбрать полупроводниковые компоненты. Infineon предлагает использовать здесь CoolMOS™ 600 VCF D7, P7 и C7 на стороне высокого напряжения.

Рис. 7. Типичные изолированные каскады DC/DC: a) полумостовой преобразователь LLC; б) мостовой преобразователь ZVS со смещением фазы

Рис. 7. Типичные изолированные каскады DC/DC: a) полумостовой преобразователь LLC;
б) мостовой преобразователь ZVS со смещением фазы

На выходе преобразователя LLC необходимо применять электронные компоненты, имеющие пробивное напряжение на уровне удвоенного рабочего напряжения. Так что для выходного напряжения 12 В подойдет OptiMOS™ 5 40 V или 60 V.

Изолированный реверсивный DC/DC-преобразователь

Примерами изолированного реверсивного преобразователя могут служить преобразователь с двойным активным мостом DAB (рисунок 8а) и реверсивный мостовой преобразователь ZVS со смещением фазы (рисунок 8б). Эти решения базируются на традиционном методе ШИМ, а также ZVS на стороне высокого напряжения и ZCS (Zero Current Switch) на стороне низкого напряжения. Направление потока энергии в базовом преобразователе DAB может быть определено разностью фаз между напряжениями на первичной обмотке (V1) и вторичной обмотке (V2) трансформатора, как показано на рисунке 8 a). Транзисторами QA…QD и QE…QH генерируются на обмотках V1 и V2 прямоугольные импульсы с коэффициентом заполнения 50%.

Рис. 8. Реверсивные преобразователи: a) двойной активный мост (Dual Active Bridge, DAB); б) полномостовой со смещением фазы и ZVS

Рис. 8. Реверсивные преобразователи: a) двойной активный мост (Dual Active Bridge, DAB); б) полномостовой со смещением фазы и ZVS

Неизолированный DC/DC-преобразователь

На рисунке 9 представлены две схемы неизолированных DC/DC-преобразователей с MOSFET. На основании рабочей частоты преобразователя разработчики могут выбрать наиболее подходящую серию MOSFET производства Infineon. Когда частота переключения равна или ниже 100 кГц, рекомендуется использовать низковольтные транзисторы StrongIRFET™, тогда как OptiMOS™ 5 обеспечивает меньшие потери мощности на частоте переключения выше 100 кГц. Что касается максимального напряжения MOSFET, то оно у обоих преобразователей выбирается с учетом входного напряжения в режиме зарядки.

Рис. 9. Неизолированный реверсивный преобразователь Чука (a) и неизолированный синхронный понижающе-повышающий преобразователь (б)

Рис. 9. Неизолированный реверсивный преобразователь Чука (a) и неизолированный синхронный понижающе-повышающий преобразователь (б)

Рекомендации по использованию компонентов Infineon

Обеспечить высокую плотность энергии в аккумуляторах при зарядке и возврат энергии при разрядке позволяют современные системы формирования АКБ, для проектирования которых компания Infineon выпускает целый ряд диодов, транзисторов и микросхем.

В таблице 1 приведены сводные покаскадные данные о полупроводниковых компонентах Infineon для создания промышленных систем формирования АКБ.

Таблица 1. Основные серии компонентов Infineon для систем формирования АКБ

Электронный каскад Функция Компоненты
Однофазный вход с ККМ Режим CCM, основной повышающий напряжение переключатель и драйверная ИМС CoolMOS™ 600 V C7, P7; EiceDRIVER™ 1EDN, 1EDN TDI
Основной диод в повышающей напряжение цепи Диоды Шоттки CoolSiC™650 V G6
Трехфазный вход с ККМ Режим CCM, переключатель моста Виенна и драйверная ИМС 600 V CoolMOS™ C7, P7; EiceDRIVER™ 2EDS/F
Выпрямительный диод моста Виенна Диоды Шоттки CoolSiC™ 1200 V G5
Реверсивный каскад с ККМ в режиме CrCM Двухтактный быстрый переключатель с ККМ и драйверная ИМС CoolMOS™ CFD7; EiceDRIVER™ 2EDS/F
Двухтактный переключатель с ККМ, 50/60 Гц и драйверная ИМС 600 V CoolMOS™ S7*; EiceDRIVER™ 2EDS/F
Изолированный DC/DC LLC, шинный переключатель HV и драйверная ИМС 600 V CoolMOS™ C7, P7, CFD7; EiceDRIVER™ 2EDN, 2EDS/F
LLC, шинный переключатель LV и драйверная ИМС OptiMOS™ 5 или 6; EiceDRIVER™ 2EDN, 2EDS/F, 1EDN TDI
ZVS, шинный переключатель HV и драйверная ИМС CoolMOS™ CFD7; EiceDRIVER™ 2EDN, 2EDS/F
ZVS, шинный переключатель LV и драйверная ИМС OptiMOS™ 5 или 6; EiceDRIVER™ 2EDN, 2EDS/F, 1EDN TDI
Двунаправленный изолированный DC/DC DAB, шинный переключатель HV и драйверная ИМС 600 V CoolMOS™ C7, P7, CFD7; EiceDRIVER™ 2EDN, 2EDS/F
DAB, шинный переключатель LV и драйверная ИМС OptiMOS™ 5 или 6; EiceDRIVER™ 2EDN, 2EDS/F, 1EDN TDI
ZVS, шинный переключатель HV и драйверная ИМС CoolMOS™ CFD7; EiceDRIVER™ 2EDS/F
ZVS, шинный переключатель LV и драйверная ИМС OptiMOS™ 5 или 6; EiceDRIVER™ 2EDN, 2EDS/F, 1EDN TDI
Неизолированный DC/DC Синхронный повышающе-понижающий преобразователь и драйверная ИМС OptiMOS™ 5, OptiMOS™ 6 или StrongIRFET™; EiceDRIVER™ 2EDS/F, 1EDN TDI
Синхронный повышающе-понижающий преобразователь и драйверная ИМС OptiMOS™ 5, OptiMOS™ 6 или StrongIRFET™; EiceDRIVER™ 2EDL, 1EDN TDI
Вспомогательный обратноходовой преобразователь Квазирезонанс, фиксированная частота CoolSET™ ICE5QRXX80AX или
ICE5QRXX70AX; CoolSET™ ICE5ARXX80XX или ICE5ARXX70XX
Контроллер Контроллер DSP Семейство XMC4000
* MOSFETCoolMOS™ S7 в разработке, ожидается в ближайшее время

В качестве примера для систем формирования АКБ компания Infineon предлагает безмостовой преобразователь с ККМ, схема которого представлена на рисунке 10, а комплект заказных компонентов – в таблице 2.

Рис. 10. Демонстрационный преобразователь сетевого напряжения с ККМ для систем формирования АКБ на 3 кВт

Рис. 10. Демонстрационный преобразователь сетевого напряжения с ККМ для систем формирования АКБ на 3 кВт

Таблица 2. Основные компоненты Infineon для преобразователей с ККМ на 3 и 20 кВт

Топология Обозначение на рисунке 10 Наименование
Безмостовая схема на 3 кВт Q1 и Q2 IPW60R040C7
Q3 и Q4 IPT60R022S7*
D1 и D2 IDH65G16C6
Драйвер для Q1…Q4 1EDN8550B
Вспомогательный регулятор ICE5QR4780AZ
Трехфазный выпрямитель Vienna на 20 кВт Q1…Q6 IPW60R037P7 (два в параллель)
D1…D6 IDWD30G120C5
Драйвер для Q1…Q6 2EDS8265H или 2EDF7275K
Вспомогательный регулятор ICE5QR4780AZ
* MOSFETCoolMOS™ S7 в разработке, ожидается в ближайшее время

Примером реверсивного изолированного DC/DC-преобразователя является демонстрационный вариант Infineon на 3,3 кВт с режимом переключения ZVS и со смещением фазы, разработанный для использования со входной шиной HV до 400 В и с выходной шиной LV до 43 В (таблица 3).

Таблица 3. Рекомендуемые Infineon компоненты для изолированного реверсивного полномостового DC/DC-преобразователя/ZVS со смещением фазы на 3 кВт

Шины HV и LV Обозначение на рисунке 10 Наименование
Шина HV 400 В Q1…Q4 IPL60R075CFD7 (два параллельно)
D1…D2 IDH08G65C6
ИМС драйвера Q1…Q4 2EDS8265H
Шина LV 12 В Q5…Q8 BSC007N04LS6 (четыре параллельно)
Шина LV 24 В Q5…Q8 BSC025N08LS5 (четыре параллельно)
Шина LV 48 В Q5…Q8 BSC093N15NS5 (четыре параллельно)
ИМС драйвера Q5…Q8 2EDF7275F
Вспомогательный контроллер ICE5QSAG
Вспомогательный обратноходовой MOSFET IPU80R4K5P7

В таблице 4 показаны лучшие в своем классе устройства Infineon в различных корпусах, подходящие для разных уровней на шине малого значения напряжения неизолированных DC/DC-преобразователей.

Таблица 4. Компоненты Infineon для неизолированных DC/DC-преобразователей

Напряжение шины LV, В Пробивное Vds MOSFET, В OptiMOS™ 5 и OptiMOS™ 6 для поверхностного монтажа OptiMOS™ и StrongIRFET™ для навесного монтажа
D2PAK SS08 TOLL D2PAK-7 TO-220 TO-247
12 30 IRLS3813PbF
(1,95 мОм)
BSC011N03LS
(1,1 мОм)
IPT004N03L
(0,4 мОм)
IPB009N03L
(0,95 мОм)
IRLB3813
(1,95 мОм)
IRFP3703
(2,8 мОм)
24 40 IPB015N04LG
(1,5 мОм)
BSC007N04LS6
(0,7 мОм)
IRL40T209
(0,7 мОм)*
IPB011N04L
(1,1 мОм)
IRLB3034
(2,0 мОм)
IRFP7430PBF
(1,3 мОм)
60 IPB019N06L3G
(1,9 мОм)
BSC012N06NS
(1,2 мОм)
IPT007N06N
(0,75 мОм)
IPB014N06N
(1,4 мОм)
IPP020N06N
(2 мОм)
IRFP7530
(2 мОм)
48 100 IPB020N10N5
(2,0 мОм)
BSC027N10NS5
(2,7 мОм);
BSC093N15NS5
(150 В, 9,3 мОм)
IPT015N10N5
(1,5 мОм)
IPB017N10N5
(1,7 мОм)
IPP023N10N5
(2,3 мОм)
IRF100P219
(1,7 мОм)
96 200 IPB107N20N3
(10,7 мОм)
BSC220N20NSFD
(22 мОм)
IPT111N20NFD
(11,1 мОм)
IPP110N20N3
(11 мОм)
IRF200P222
(6,6 мОм)
Драйвер 1EDN7550B или 2EDF7275X
* StrongIRFET™

Заключение

Удовлетворять растущие потребности в качественных литий-ионных аккумуляторах помогают современные электронные компоненты. Компания Infineon предлагает технические решения и выпускает необходимые для их реализации транзисторы, диоды и интегральные микросхемы, позволяющие ускорить процесс формирования собранных АКБ с тем, чтобы обеспечить эффективный заряд/разряд в процессе длительной эксплуатации.

Являясь одним из ведущих поставщиков мощных полупроводниковых приборов для импульсных переключателей, компания Infineon предлагает весь ассортимент ключевых компонентов для каждой ступени в системе с применением аккумуляторных батарей.

Литература

  1. White Paper Industrial Battery formation-WP-v01_02-EN
•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
IPW65R019C7FKSA1 (INFIN)
IPW65R019C7 (INFIN)
IPW60R180P7XKSA1 (INFIN)
IPT60R125G7XTMA1 (INFIN)
IPT007N06NATMA1 (INFIN)
1EDN7512BXTSA1 (INFIN)
2EDN7424RXUMA1 (INFIN)
ICE5QSAGXUMA1 (INFIN)
IDWD10G120C5XKSA1 (INFIN)
IPL60R075CFD7AUMA1 (INFIN)
IDH08G65C6XKSA1 (INFIN)
BSC100N06LS3GATMA1 (INFIN)
IPU80R4K5P7AKMA1 (INFIN)
IRLS3813PBF (INFIN)
IPB054N06N3GATMA1 (INFIN)
IRLB3813PBF (INFIN)
IRL40T209ATMA1 (INFIN)
IRLB3034PBF (INFIN)
IRF200P222 (INFIN)
IRFP3703PBF (INFIN)
IRFP7430PBF (INFIN)