česky english Vítejte, dnes je pondělí 04. červenec 2022

Technologie na bázi SiC v invertorech jako záruka delšího dojezdu EV

DPS 6/2021 | Vývoj - články
Autor: Timothé Rossignol, Analog Devices

V případě automobilové dopravy a polovodičových technologií v současné době skloňujeme dvě zásadní oblasti dotýkající se jejich budoucnosti. Osvojujeme si nové a strhující způsoby čistého pohonu s využitím elektrické energie, zatímco zároveň pracujeme na polovodičových materiálech tvořících základy pro subsystémy elektrických vozidel (EV) tak, abychom vystupňovali účinnost a potažmo prodloužili i dojezdové vzdálenosti.

Obr. 1  (jpg)

Vládní orgány nepřestávají tlačit na výrobce, aby u svého vozového parku snižovali celkové emise CO2, a tvrdě postihují ty, kteří se nepřizpůsobí. Podél cest a na parkovištích zároveň začíná růst počet nabíjecích stanic pro EV. Navzdory všem takovým pokrokům však běžného uživatele elektrovozidla zase tolik neoslovují. Důvodem jsou přetrvávající obavy spojené právě s limitovaným dojezdem.

A aby to nebylo zase tak jednoduché, cenu elektrovozidel zde zároveň navyšují objemnější baterie, které by měly zvýšit dojezd a zbavit řidiče strachu, že se někam nedostanou. Na výsledné ceně vozu se přitom akumulátory podílejí z více než 25 %.

Naštěstí zde souběžně probíhá polovodičová „revoluce“, která přinesla nové součástky se širokým zakázaným pásem typu MOSFETů na bázi karbidu křemíku (SiC), tedy výkonových spínačů, které mohou pomoci překlenout propast mezi očekáváním zákazníků, pokud jde o dojezdové vzdálenosti EV, a schopností výrobců uspokojit je za konkurenceschopnou cenu.

Obr. 2  (jpg)

Maximum díky technologii SiC

Základní výhody výkonových spínačů na bázi SiC jsou s ohledem na hustotu výkonu a také účinnost dobře známé. Mají totiž zásadní vliv na chlazení systému, včetně jeho velikosti. Vývoj v této oblasti slibuje při 800 V / 250 kW třikrát menší invertory společně s dalšími výraznými úsporami velikosti a také ceny, pokud jde o související fóliové kondenzátory DC části. Ve srovnání s tradičními polovodiči zde výkonové spínače na bázi SiC umožňují dosahovat lepšího dojezdu, resp. uvažovat i menší sady baterií. Příznivě pak vychází též porovnání takových spínačů z pohledu nákladů, od úrovně součástek až na úroveň celého systému.

V místě, ve kterém se vzájemně setkávají požadavky na dojezd a také cenu, se do popředí zájmu dostávají právě trakční invertory s předpoklady pro inovace odemykající u elektrovozidel další možnosti zvyšování účinnosti a dojezdové vzdálenosti. Výkonové spínače na bázi SiC pak jako nejdražší a také funkčně nejdůležitější prvek trakčního invertoru musí být i velmi přesně ovládány. Jedině tak bude možné z tohoto mimořádného spínače vytěžit maximum.

Veškeré výhody plynoucí ze spínačů na bázi SiC mohou být ve skutečnosti smazány souhlasným rušením, stejně jako mimořádně velkými a destruktivními překmity napětí způsobenými ultrarychlými přechodovými jevy v napěťové a proudové rovině (dv/dt a di/dt), za které jsou zodpovědné nevalně řízené výkonové spínače. Obecně vzato spínače na bázi SiC budou mít navzdory své vlastní technologii docela jednoduchou funkci. Jedná se pouze o součástku se třemi vývody, která však musí být pečlivě zapracována do celého systému.

Obr. 3 a 4  (jpg)

Ke slovu přichází budič hradla

Budič hradla s galvanickým oddělením pomáhá s nastavením nejlepšího bodu spínání, u izolační bariéry zajišťuje krátké a přesně definované průchozí zpoždění a také zde představuje samotné bezpečnostní oddělení systému. Má pod kontrolou přehřívání výkonového spínače, detekuje a chrání v případě zkratů a usnadňuje zapracování funkce dílčího bloku budiče/spínače v rámci systému ASIL D.

Přechodové jevy s vysokou rychlostí přeběhu vnášené spínačem na bázi SiC však mohou narušit přenos dat napříč izolační bariérou, takže je zcela nezbytné chápat a měřením rovněž i podchytit náchylnost k takovým dějům. Z pohledu odolnosti CMTI (common-mode transient immunity) se osvědčila chráněná technologie iCoupler® od ADI. Naměřené výsledky zde dosahují až 200 V/ns, příp. jsou ještě lepší. V rámci bezpečného provozu se tak zpřístupní plný potenciál tranzistorů na bázi SiC a jejich spínacích časů.

Špičkové budiče hradel svou hodnotu prokázaly při reálných testech ve spojení s předními dodavateli výkonových spínačů MOSFET na bázi SiC, jako je Wolfspeed. U klíčových parametrů, jako jsou „short-circuit detection time“ a „total fault clearance time“, lze počítat již s 300, resp. 800 ns. Z pohledu dodatečné bezpečnosti a ochrany se při testech názorně předvedla i řízená schopnost „měkkého“ vypnutí, která je pro hladkou činnost systému nepostradatelná.

Při zlepšování výkonových vlastností a dojezdu EV lze podobně pracovat i s energií spojovanou se spínáním nebo otázkou elektromagnetické kompatibility, EMC. Schopnost lepšího buzení umožňuje vývojářům dosahovat u hran signálu rychlejších změn a během spínání tím potlačovat ztráty. Nezlepšuje to pouze účinnost, ale umožní to rovněž ušetřit náklady a místo na desce, protože se zbavíme vnějších bufferů přiřazených každému budiči hradla. Za určitých podmínek může ale systém naopak potřebovat spínat pomaleji, aby tím dosáhl optimální účinnosti, nebo dokonce ve fázích, takže ji dle zjištění ještě navýší. ADI pro tyto účely nabízí řízenou rychlost přeběhu, zatímco další komplikace zde vyloučí odstranění vnějších bufferů.

Obr. 5  (jpg)

Systém složený z dílčích prvků

Je nutné si uvědomit, že celková hodnota i vlastnosti budiče hradel a spínače na bázi SiC mohou být zcela potlačeny kompromisy, příp. též neefektivitou okolních součástek. Zkušenosti ADI, pokud jde o napájení a snímání, a také přístup k optimalizaci parametrů na systémové úrovni, zde při návrhu postihují celou řadu oblastí.

Holistický pohled na elektrovozidla odhaluje další příležitosti pro optimalizaci účinnosti hnacího ústrojí, které budou klíčové při využívání maximální dostupné kapacity baterie, zatímco dále zajišťujeme bezpečný a spolehlivý provoz. Kvalita BMS zde přímo ovlivňuje počet kilometrů, které EV na jedno nabití ujede, maximalizuje celkovou životnost akumulátorů a ve výsledku pak snižuje celkové náklady TCO spojované s vlastnictvím vozu.

Ve věci řízení napájení bude rozhodující schopnost „zvítězit“ nad složitými elektromagnetickými interferencemi EMI, aniž bychom činili kompromisy v otázce nákladů spojených se součástkami nebo provedením desky. Výkonová účinnost, tepelné vlastnosti a také způsob pouzdření hrají na úrovni zdroje napájení klíčovou roli, ať již budeme uvažovat obvody zdroje s izolovaným budičem hradla, nebo pomocné, snižující DC/DC zapojení. Pro vývojáře elektrovozidel nicméně schopnost vyřadit ze hry EMI nabývá na mnohem větším významu. Když dojde na spínání u většího počtu napájecích zdrojů, stává se z EMC tradiční „bolístka“. Vynikající EMC pak může jít ruku v ruce se zkrácením testovacích cyklů a snížením složitosti návrhu, takže se s produktem dostaneme i dříve na trh.

Pokud se na ekosystém podpůrných součástek zaměříme podrobněji, pokroky v oblasti magnetického snímání přinesly novou generaci bezkontaktních snímačů proudu bez jakýchkoli ztrát a také s velkou šířkou pásma, resp. přesností, stejně jako precizní a robustní senzory polohy pro různé konfigurace s hřídelí. Pro nasazení v typickém plug-in hybridu zde máme mezi 15 a 30 proudovými čidly [1], společně se snímači polohy a otáčení monitorujícími funkce motoru. Přesnost při snímání a také odolnost vůči rozptylovým polím patří při měření a udržování efektivity napříč napájecími subsystémy EV ke klíčovým vlastnostem.

A zase ta účinnost

Pokud se na veškeré prvky u pohonného mechanizmu elektrovozidla, od baterie přes trakční invertor až k podpůrným součástkám, nebo ještě dále, podíváme holisticky, ADI zde spatřuje bezpočet příležitostí, jak zdokonalit provoz EV, pokud jde o navýšení celkové účinnosti a také prodloužení dojezdové vzdálenosti.

Vzhledem k tomu, že technologie výkonového spínání na bázi SiC prostupuje u EV oblast trakčních invertorů, stává se číslicové oddělení jednou z mnoha důležitých součástí celé rovnice.

Výrobci pohybující se v automobilovém průmyslu mohou při optimalizaci EV rovněž přijít s aktivitou, při které zajistí, že všechny dostupné součástky pro řízení a monitorování napájení budou pracovat v naprosté součinnosti a dosahovat přitom maximálního výkonu a také efektivity.

Pomohou tím překlenout poslední zbývající bariéry pro přijetí elektrovozidel běžnými uživateli, tedy jejich dojezdovou vzdálenost a cenu, a pro všechny z nás zajistit „zelenější“ budoucnost.

Odkazy:

[1] Richard Dixon, MEMS Sensors for the Car of the Future. 4th Annual Automotive Sensors and Electronics Summit, únor 2019

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik