La corsa verso l’elettrificazione e la crescita esponenziale dell’industria dei veicoli elettrici, sta portando alla ribalta la sfida riguardante il test delle batterie, che rimane uno dei più importanti colli di bottiglia per la produzione di massa di batterie agli ioni di litio. Per fare fronte a questa esigenza, i progettisti sono alla ricerca di modi per aumentare la capacità dei sistemi di test, migliorare l’efficienza complessiva e ridurre i costi.
Una di queste soluzioni è la tecnologia al nitruro di gallio (GaN). In questo articolo, spiegherò come l’implementazione della tecnologia GaN nei sistemi di test delle batterie può aiutare ad aumentare la densità del canale, migliorare l’efficienza complessiva del sistema e ridurre i costi dell’elettricità, portando a una maggiore produttività delle batterie.
Uno sguardo più da vicino ai sistemi di test delle batterie
L’apparecchiatura di test delle batterie carica e scarica le celle durante la produzione della batteria. La Figura 1 mostra uno schema a blocchi di un comune sistema di test, costituito da un alimentatore AD/DC isolato bidirezionale e più canali di test di uscita a bassa tensione ad elevata precisione.
Figura 1: diagramma a blocchi del sistema di test delle batterie.
La maggior parte dei sistemi di test delle batterie utilizza alimentatori AC/DC bidirezionali, che spesso comprendono uno stadio di correzione del fattore di potenza (PFC) AC/DC non isolato e uno stadio DC/DC isolato. Ci sono due sfide principali con questo tipo di alimentatore: dimensioni ed efficienza. L’alimentatore può occupare fino al 40% dello spazio dell’armadio, limitando la densità di canale dell’apparecchiatura di test. Fattori come le perdite di commutazione e di conduzione, le perdite di recupero inverso e la dissipazione di potenza riducono l’efficienza complessiva del sistema, il che a sua volta comporta bollette elettriche più elevate e un aumento dei costi di produzione delle batterie.
Incremento dell’efficienza in fase AC/DC con PFC totem-pole
Molte applicazioni ad alta tensione hanno già adottato i transistor GaN per i vantaggi che offrono in termini di densità di potenza, efficienza, velocità di commutazione e frequenza. A causa della minore capacità complessiva che si accumula sul terminale di gate e alla mancanza di perdite di recupero inverso nel terzo quadrante, l’impiego di elementi GaN consente topologie hard-switched a frequenza più elevata che non sono possibili con transistor MOSFET e con transistor bipolari a gate isolato IGBT), come lo stadio PFC senza ponte totem-pole. La Figura 2 confronta le topologie PFC.
Figura 2: PFC totem-pole rispetto ad altre topologie PFC comuni.
Con l’aumentare della domanda di maggiore efficienza negli alimentatori AC/DC, il PFC totem-pole è diventato una soluzione PFC sempre più preziosa dato il basso numero di componenti, le basse perdite e la maggiore densità di potenza. Poiché i transistor GaN presentano perdite zero di recupero inverso, si tratta della migliore scelta per l’elemento di potenza da implementare in uno stadio PFC totem-pole. Il progetto di riferimento di un totem pole monofase da 4 kW con C2000 e GaN mostra un esempio di implementazione di una topologia PFC totem-pole che utilizza elementi GaN operante a 4 kW con un’efficienza di picco ≥99,1%. Il PFC totem-pole è adatto per applicazioni che richiedono un’elevata efficienza, come alimentatori di server, caricatori di bordo per veicoli elettrici, sistemi di test e misurazione e infrastrutture di rete.
Miglioramento della densità del canale con GaN
GaN può funzionare a frequenze più elevate in un fattore di forma più piccolo rispetto ai FET o MOSFET in carburo di silicio, il che è particolarmente importante per gli alimentatori AC/DC bidirezionali dei tester per batterie, poiché diventa possibile utilizzare lo spazio aggiuntivo nell’armadio per aumentare il numero di canali di test di precisione a bassa tensione. La tecnologia GaN consente una riduzione delle dimensioni di circa il 50% nello stadio AC/DC rispetto alle soluzioni MOSFET, che può consentire un aumento di circa il 30% della densità del canale. Nel progetto di riferimento del caricatore integrato basato su GaN, 6,6 kW, bidirezionale, che utilizza l’LMG3522R030 GaN FET, questa tecnologia consente una maggiore densità di potenza ed efficienza con un fattore di forma molto più piccolo rispetto a un progetto di riferimento SiC comparabile. L’implementazione di dispositivi GaN consente una frequenza di commutazione superiore del 62% rispetto ai SiC, il tutto mantenendo una riduzione delle dimensioni di circa il 60% rispetto a un design SiC equivalente.
A causa della sua maggiore frequenza di commutazione, un dispositivo GaN consente anche una transizione carica-scarica più rapida (<1 ms) rispetto a SiC e MOSFET. Nel complesso, utilizzando la tecnologia GaN, è possibile aumentare il rendimento della produzione di batterie nelle fabbriche senza compromettere la densità di potenza, l’efficienza e le prestazioni transitorie. L’implementazione di dispositivi GaN può aiutare a ridurre i colli di bottiglia nella fase di assemblaggio della batteria, consentendo una maggiore produttività.
Aumento dell’affidabilità dei progetti di test
L’affidabilità è estremamente importante nei sistemi di test delle batterie; le fabbriche funzionano tutto l’anno, quindi la necessità di un’alimentazione elettrica affidabile è fondamentale. I FET GaN traggono vantaggio dai metodi di test di affidabilità standard esistenti per i FET al silicio e, inoltre, da nuove metodologie che sono state implementate specificamente per convalidare l’affidabilità dei FET GaN.
Il portafoglio di FET GaN di Texas Instruments include una varietà di funzionalità integrate per la protezione, che portano a vantaggi in termini di costi e affidabilità. Queste funzionalità, oltre a oltre 40 milioni di ore di test di affidabilità, consentono ai dispositivi GaN TI di offrire un design più resiliente. Alcune delle funzionalità incluse nel package comprendono un gate driver integrato, la segnalazione di sovratemperatura e opzioni per la protezione da sovracorrente. Non è necessario alcun circuito esterno per queste funzionalità, il che consente di risparmiare sui costi. La Figura 3 rappresenta uno schema a blocchi dei dispositivi LMG3422 e LMG3522.
Figura 3: Schema a blocchi LMG3422 e LMG3522.
Riduzione al minimo delle perdite di potenza nello stadio DC/DC isolato
Il GaN presenta anche vantaggi per i sistemi di test delle batterie nelle fabbriche che si stanno spostando verso uno stadio AC/DC centralizzato ad alta potenza e che utilizzano una alimentazione DC da 800V. Questa architettura implementa uno stadio DC/DC isolato da 800 V a 12 V a stadio singolo per ridurre la tensione de bus DC e quindi scendere da 0 V a 5 V utilizzando un convertitore buck bidirezionale non isolato per testare la batteria. L’implementazione del GaN nello stadio DC/DC isolato da 800 V a 12 V riduce le perdite di potenza rispetto alle soluzioni SiC. Più convertitori DC/DC saranno connessi al bus DC da 800 V, a seconda del numero di canali di test.
Conclusioni
Molte applicazioni per l’alimentazione dei server e le telecomunicazioni hanno adottato con successo la tecnologia GaN, beneficiando di una maggiore efficienza e densità di potenza. I progettisti che realizzano sistemi di test per batterie possono trarre vantaggi simili utilizzando dispositivi GaN per i loro progetti per ridurre i costi dell’elettricità, aumentare la densità del canale e ottenere un FET GaN affidabile per la loro applicazione di sistema.
I file del progetto di riferimento bidirezionale per il PFC Totem Pole CCM GaN ad alta densità che utilizza il MCU C2000 e l’elemento di potenza GaN LMG3410R070 sono scaricabili dal seguente link.
Su questo argomento sono disponibili le seguenti ulteriori risorse:
- “Achieving GaN Products With Lifetime Reliability”
- “Designing an Accurate, Multifunction Lithium-Ion Battery-Testing Solution”
- “How GaN FETs With Integrated Drivers and Self-Protection Will Enable the Next Generation of Industrial Power Designs”
- “How to Design One Battery Tester for a Wide Range of Sizes, Voltages and Form Factors”
Christian Puente è Product Marketing Engineer – GaN (Gallium Nitride) presso Texas Instruments.
