© iStock-1447219795/choochart choochaikupt
Introducere
Proiectanții și producătorii din sectorul electronic încearcă să dezvolte soluții care să satisfacă cerințele industriei vehiculelor electrice (EV), aflată în plină expansiune. Multe companii din acest domeniu caută să creeze componente sau sisteme care să propulseze vehiculele electrice la nivelul următor și să aducă piața la un nivel mai ridicat de maturitate. Scopul este de a crește autonomia de deplasare a vehiculelor electrice, adăugând valoare utilizatorilor Tier 1, precum și producătorilor de echipamente originale și consumatorilor.
Articolul analizează cum au colaborat două companii – LEM și Semikron Danfoss – pentru a atinge aceste obiective. În special, studiul se axează pe inovația care a stat la baza dezvoltării unui senzor de curent LEM Nano complet integrat într-un modul de putere în jumătate de punte cu răcire directă (DCMTM – Direct Cooled Molded) al companiei Semikron Danfoss.
Densitate mare de putere
Este larg răspândit faptul că există două modalități cheie de a obține o densitate de putere ridicată în cazul acționării motoarelor de tracțiune alimentate de la baterii și al încărcătoarelor on/off-board din vehiculele electrice. Una constă într-o integrare perfectă și eficientă, în timp ce cealaltă presupune utilizarea celor mai mici module de putere și senzori de curent (cunoscuți și sub denumirea de senzori cu amprentă minimă sau cu factor de formă mic).
Printr-o combinație de densitate și eficiență sporită a puterii, modulele de putere MOSFET SiC au făcut posibilă reducerea dimensiunilor și creșterea autonomiei de operare. De ceva timp, LEM și Semikron Danfoss colaborează îndeaproape pentru a dezvolta o inovație tehnologică destinată special trenurilor de propulsie electrice.
Semikron Danfoss și-a dorit să ofere clienților săi un modul de putere care să integreze complet funcția de detecție, reducând în același timp la minimum amprenta componentei. Acest lucru ar simplifica asamblarea și ar menține costurile la un nivel scăzut. Deși a fost dezvoltată o soluție care combină o reducere semnificativă a amprentei cu un nivel mai ridicat de integrare, opțiunea aleasă a fost adoptarea unei soluții “all-in-one”. Proiectanții au venit cu un concept prin care senzorul de curent al LEM să fie încorporat în platforma DCMTM.
Familia DCMTM1000X de 1200V utilizează cea mai recentă generație de MOSFET-uri SiC de 750V și 1200V (precum și IGBT-uri din siliciu). Acest lucru înseamnă că platforma poate permite o tensiune DC link de până la 1000V, respectând standardul de coordonare a izolației IEC 60664-1. Capabilitatea de curent a modulului poate fi scalată până la 800 Arms în funcție de cât de mult este utilizată suprafața semiconductoare.
Concept complet nou
Cele două companii nu numai că au dezvoltat un concept de asamblare complet nou, dar au creat și un senzor de curent cu miez magnetic (core), mai mic cu 60% decât orice alt senzor de curent ‘core’ de pe piață. Oferind, în plus, o lățime de bandă mare și o imunitate superioară la interferența încrucișată, conceptul poate fi extins la orice modul de alimentare, bară colectoare sau conductor comun pentru a măsura curenții într-o manieră complet integrată.
Cu toate acestea, noul senzor de curent Nano este potrivit în special pentru utilizarea în invertoarele de tracțiune pentru vehicule electrice (EV) care utilizează platforma DCMTM. De asemenea, este compatibil și cu alte module de putere Semikron Danfoss. Deși oferă un nivel înalt de integrare, conceptul este ușor de asamblat și poate îndeplini toate cerințele de izolare pentru sistemele de baterii de 800V.
Figura 1: Integrarea senzorului LEM Nano în DCMTM1000X (© LEM / Semikron Danfoss)
Printre alte caracteristici ale noului senzor se numără abilitatea sa de a oferi performanțe fiabile într-o gamă largă de medii dificile, inclusiv protecția împotriva umidității și a vibrațiilor. În particular, dispozitivul oferă stabilitate la temperaturi ridicate, precum și niveluri considerabil de ridicate de robustețe mecanică.
DCMTM1000X este un modul de putere obținut prin turnare, cu borne pentru alimentare și semnal care ies din partea laterală a carcasei. Acest lucru permite existența unui spațiu liber între partea superioară a carcasei și placa de comandă a porții. Ideea inovatoare din spatele conceptului Nano a fost proiectarea unui senzor de curent cu miez magnetic care poate încăpea în acest spațiu neutilizat. Figura 1 prezintă o vedere detaliată a ansamblului.
Senzorul Nano oferă grade de precizie înalte, imunitate excelentă împotriva câmpurilor externe, lățime de bandă mare și un raport semnal-zgomot (SNR) mare, pe care îl oferă majoritatea senzorilor de curent cu miez magnetic. În plus, deoarece amprenta senzorului de curent se încadrează în spațiul modulului de putere, acesta nu mai este nevoie de spațiu suplimentar în invertor.
Figura 2: Precizia globală a mostrei supraturnate (© LEM / Semikron Danfoss)
În același timp, pentru a fixa senzorul din punct de vedere mecanic și a-l conecta electric la placa de comandă, nu este nevoie de instalarea altor componente. Toate aceste particularități demonstrează că senzorul Nano oferă cel mai înalt nivel de integrare dintre toți ceilalți senzori de curent ‘core’. Astfel, nu numai că se simplifică procesul de integrare pe verticală, dar se reduc și costurile de fabricație și se prelungește durata de viață a produsului.
Înconjurând bara colectoare
Figura 3: Lățimea de bandă a mostrei supraturnate (© LEM / Semikron Danfoss)
LEM a proiectat un miez magnetic care înconjoară bara colectoare cu un întrefier dublu și un traseu cu reluctanță înaltă, rezolvând problema saturației miezului la curenți mai mari și reducând densitatea fluxului în miez. Proiectanții companiei au creat o soluție care a inclus două bare feromagnetice drepte – una plasată deasupra barei colectoare de curent alternativ, iar cealaltă dedesubt. Elementele de detecție cu placă Hall au fost poziționate între cele două interstiții.
LEM a constatat că procesul de supraturnare (over-mold process) ar putea fi critic pentru performanța senzorului. Astfel, apărea riscul de a introduce tensiuni în structura miezului, de a reduce nivelul de saturație al acestuia și de a crește offsetul său magnetic. Toate acestea ar fi putut afecta precizia generală.
Figura 4a: Răspunsul în trepte al mostrei supraturnate (100A/Div & 200µs/Div) ; Figura 4b: Răspunsul în trepte al mostrei supraturnate (100A/Div & 5µs/Div) (© LEM / Semikron Danfoss)
Având în vedere că restricțiile de spațiu făceau imposibilă supradimensionarea miezului, mostrele supraturnate de la Danfoss și calibrate la LEM au fost verificate în timpul procesului de asamblare. Scopul a fost acela de a verifica cum se va comporta noul concept în configurația sa finală, inclusiv testarea preciziei pe o gamă de curenți și temperaturi. S-a constatat că procesul prin supraturnare a influențat foarte puțin performanța senzorului, cu o eroare globală de offset (magnetic + electric) sub ±5A și o eroare de sensibilitate sub 3% (figura 2). De asemenea, lățimea de bandă (figura 3), răspunsul în trepte (figurile 4a și 4b) și testul la scurtcircuit (figura 5) pe mostrele supraturnate au confirmat un timp de răspuns sub 3µs.
Figura 5: Rezultatele testelor la scurtcircuit pe mostre supraturnate (© LEM / Semikron Danfoss)
Pentru a testa nivelul sistemului de curent alternativ în condițiile unei operări reale a invertorului, a fost utilizată mostra prototip A, dotată cu cea mai nouă generație de MOSFET SiC, ca o fază a unei configurații trifazice, care permite apariția unor fenomene tranzitorii la comutare rapidă, pentru a verifica robustețea nano-senzorului LEM la dV/dt ridicat.
Următorii parametri electrici au fost aplicați pentru DoE (Design of Experiment): fsw=10kHz, frecvența fundamentală =50Hz, PF=1, I=650Arms. Temperatura amestecului apă/glicol a fost menținută în jurul valorii de 30°C, cu un debit de 8lt/min. Un senzor de curent Fluxgate a fost utilizat ca referință de performanță. Figura 5 prezintă rezultatele testului cu un curent cu modulație sinusoidală.
Rezultatele obținute sunt în concordanță cu simulările și calibrările efectuate, evidențiind rezultate consistente la diferitele niveluri de curent testate până la 650Arms.
Figura 6: Rezultatele testelor, comparând senzorul Nano cu referința Fluxgate (© LEM / Semikron Danfoss)
Procesele tradiționale de turnare nu numai că nu permit interconectarea din partea superioară, dar necesită și etape de întărire la temperaturi ridicate a compusului de turnare. Din aceste motive, senzorul a fost proiectat pentru a fi divizat. Miezul magnetic din partea de jos se află în modulul de alimentare, iar miezul magnetic din partea de sus (cu elementele sale de detecție), se află în afara modulului de alimentare. Configurația finală (figura 7) este o structură de tip sandwich între modulul de alimentare, elementele de detecție și placa de comandă a porții. Există, de asemenea, o interconectare directă între elementul de detecție și placa de comandă a porții.
Figura 7: Secțiunea transversală a ansamblului final (© LEM / Semikron Danfoss)
Prin interconectarea senzorului prin partea superioară a carcasei, este posibil să se realizeze un design cu distanțe de “clearance” și “creepage” suficient de mari între terminalele exterioare carcasei: acest lucru înseamnă că pot fi îndeplinite cerințele de izolare de înaltă tensiune, precum și că se poate simplifica layout-ul plăcii de comandă a porții.
În interiorul carcasei, miezul magnetic supraturnat este conectat la același potențial cu borna pentru fază. S-a realizat o mică reducere a secțiunii transversale a barei colectoare pentru a micșora foarte mult lățimea miezului magnetic și pentru a crește la maximum distanța de izolare dintre miez și terminalele adiacente. Această restricție nu afectează stabilitatea mecanică a barei colectoare și nici nu creează probleme termice, deoarece este situată pe o porțiune a barei colectoare care este supraturnată și foarte aproape de substratul răcit cu apă.
Fabio Carastro, Senior Electrical Engineer la Semikron Danfoss, spune: “Combinația dintre modulul de putere Semikron Danfoss DCMTM, cipurile cu MOSFET-uri SiC și senzorul complet integrat al LEM va duce cu adevărat invertoarele auto la următorul nivel de integrare și densitate de putere.”
Damien Coutellier, Senior Electronics Engineer și Nano Project Manager la LEM, adaugă: “Acest proiect a reprezentat o provocare semnificativă, iar succesul său constă în parteneriatul perfect cu Semikron Danfoss”.