Perché i circuiti di precarica sono necessari nei sistemi ad alta tensione

Autore: Claire Chang – Product Marketing Engineer e Chen Tilden – Applications Engineer Texas Instruments

La mancata gestione della corrente di inserzione può causare danni a cavi, connettori o fusibili (11 modi per proteggere il percorso di alimentazione). I sistemi ad alta tensione (100V+) utilizzano spesso i circuiti di precarica per limitare la corrente di inserzione. Questo processo protegge il sistema dai danni, ne aumenta la durata e ne migliora l’affidabilità. TPSI3050-Q1 è un driver interruttore isolato che aziona FET esterni per creare una soluzione SSR (Solid State Relay). Questa soluzione è in grado di sostituire il contattore meccanico di precarica, migliorando al tempo stesso la densità di potenza.

Applicazioni e vantaggi

I circuiti di precarica sono utilizzati spesso sui veicoli elettrici (EV) come sistemi di gestione della batteria e caricabatterie di bordo, nonché in applicazioni industriali come alimentatori e unità di distribuzione dell’alimentazione. Sui veicoli elettrici si utilizzano controller con elevati carichi capacitivi per gestire i motori elettrici. In questo sistema, i contattori positivi e negativi ad alta tensione (HV) sono utilizzati per fungere da disconnettore di emergenza in caso di avaria del regolatore del motore. Senza circuito di precarica, possono verificarsi saldature all’interno del contattore quando si chiude e potrebbe accendersi un breve arco con conseguente vaiolatura.

Precarica

In un sistema ad alta tensione, un tipico schema a blocchi potrebbe essere costituito da due contattori a corrente elevata con un contattore di precarica separato, e un condensatore di collegamento in parallelo in CC con un carico (ad esempio, un inverter di trazione) Le Figure 1 3 mostrano i passaggi intrapresi per la precarica di un condensatore di collegamento in CC.

Nella Figura 1, i due contattori con supporto per corrente elevata, ad alta tensione, positivo e negativo, sono aperti. La batteria ad alta tensione è scollegata dal carico su entrambi i morsetti e il condensatore di collegamento in CC resta scarico. La precarica introduce un nuovo stato nel sistema, che definiremo come stato di precarica. Nello stato di precarica, il contattore di precarica e il contattore ad alta tensione negativo sono chiusi, come mostrato in Figura 2. Il condensatore di collegamento in CC carica quasi alla stessa tensione della sorgente di tensione. Dopo lo stato di precarica, il contatore di precarica si apre e il contatore ad alta tensione positivo si chiude per azionare il sistema o per caricare la batteria. Poiché il condensatore di collegamento in CC si era caricato prima della chiusura dei contattori ad alta tensione positivo e negativo, non vi è alcuna corrente elevata di inserzione e il sistema funziona normalmente come mostrato in Figura 3.

Figura 1. Stato iniziale di precarica

 

Figura 2. Stato di precarica

 

Figura 3. Stato stabile di precarica

Caratteristiche di TPSI3050-Q1 per la precarica

Le tre caratteristiche principali fornite dal TPSI3050-Q1 sono la possibilità di operare come driver interruttore isolato, disabilitare rapidamente gli interruttori e generare la propria alimentazione a polarizzazione secondaria. Ciascuna di queste caratteristiche offre vantaggi in termini di maggiore flessibilità, affidabilità e minori dimensioni della soluzione.

Driver interruttore isolato

Il TPSI3050-Q1 offre la flessibilità per azionare FET esterni o IGBT in modo da realizzare una soluzione Solid State Relay e sostituire i relè o i contattori meccanici. Rispetto ai relè meccanici, gli SSR sono più affidabili, più leggeri e di minori dimensioni. Poiché non contengono contatti meccanici mobili, non presentano rumore udibile o usura del circuito fisico. Di conseguenza, il TPSI3050-Q1 permette di creare una soluzione di isolamento affidabile e conveniente.

Disabilitazione rapida degli interruttori

Una caratteristica chiave del TPSI3050-Q1 è la sua capacità di disabilitare rapidamente gli interruttori. Ciò può essere utile per offrire protezione in eventi come il surriscaldamento o la sovracorrente. Il tempo di risposta del TPSI3050-Q1 è inferiore a 3 us, mentre i relè sono spesso nell’intervallo di 150 ms (a seconda dell’armatura e della forza della molla).

Generazione di alimentazione a polarizzazione secondaria

Il TPSI3050-Q1 è in grado di generare la propria alimentazione a polarizzazione secondaria partendo dalla potenza ricevuta sul suo lato primario. Il lato secondario presenta un rail di alimentazione flottante regolato di 10 V per l’azionamento di svariati interruttori di alimentazione, come mostrato in Figura 4, quali ad esempio gli interruttori di alimentazione a doppio canale back-to-back per applicazioni in CA, interruttori di alimentazione a singolo canale per applicazioni in CC, varie tipologie di SCR, e molto altro ancora.

TPSI3050-Q1 in circuiti di precarica ad alta tensione

La Figura 4 mostra il TPSI3050-Q1 in collegamento con un circuito di precarica dotato di interruttori a MOSFET. In questo esempio, il TPSI3050-Q1 funziona come un segnale EN e con alimentazione in bassa tensione fra VDDP e VSSP sul lato primario. Sul lato secondario, il pin VDRV si collega ai MOSFET back-to-back in una configurazione a sorgente comune. Quando il pin EN è allo stato logico high, il TPSI3050-Q1 segnala l’informazione dal lato primario al lato secondario per indicare che VDRV è high. Analogamente, quando il pin EN è allo stato logico low, VDRV viene portato su low.

Figura 4. TPSI3050 in applicazione

Conclusione

Un circuito di precarica può essere utilizzato per evitare sollecitazioni e danni al sistema elettrico implementando una resistenza e un interruttore per limitare la corrente di inserzione. Il TPSI3050-Q1 è in grado di sostituire i tradizionali contattori di precarica per realizzare una soluzione Solid State Relay più affidabile, più piccola e più reattiva rispetto ai contatti meccanici che possono usurarsi con il passare del tempo.

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