Компоненты Infineon для формовки аккумуляторных элементов питания

23 августа 2019

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

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

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)

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

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

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 R_DS(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 (Q_C и Q_D) – на частоте сети электропитания. Потери энергии, обусловленные, в основном, проводимостью канала «сток-исток», можно минимизировать за счет выбора MOSFET с наименьшим значением R_DS(on). Например, можно использовать CoolMOS™ S7. В двухтактных преобразователях, работающих в режиме CrCM, рекомендуется также использовать CoolMOS™ CFD7 с быстрыми встроенными диодами и низким R_DS(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

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

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 Q_A…Q_D и Q_E…Q_H 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

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)

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

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

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

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

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

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