Nagy teljesítményű autóipari alkalmazások
Együttműködés a következő generációs áramérzékelő társtervezésére
Az elektronikai ágazat tervezői és gyártói keményen dolgoznak azon, hogy olyan megoldásokat fejlesszenek ki, amelyek kielégítik a gyorsan bővülő elektromos járműipar (EV) igényeit. Az ágazat számos vállalata olyan alkatrészek vagy rendszerek létrehozására törekszik, amelyek az EV-ket a következő szintre emelik. A cél az EV-k hatótávolságának növelése, amely hozzáadott értéket jelent az első szintű felhasználók, valamint az OEM-ek és a fogyasztók számára.
Ez a cikk azt mutatja be, hogy két vállalat – a LEM és a Semikron Danfoss – hogyan dolgozott együtt e célok elérése érdekében, különösen a Semikron Danfoss Direct Cooled Molded (DCMTM – közvetlen hűtésű fröccsöntött) innovációjára összpontosítva, amely a félhidas teljesítménymodul-platformjához teljesen integrált LEM nanoáram-érzékelő kifejlesztése mögött áll.
Nagy teljesítménysűrűség
Széles körben elfogadott, hogy az elektromos járművek akkumulátoros vontatómotoros meghajtásaiban és fedélzeti/fedélzeten kívüli töltőiben két kulcsfontosságú módja van a nagy teljesítménysűrűség elérésének. Az egyik a zökkenőmentes és hatékony integráció, a másik pedig a lehető legkisebb teljesítménymodulok és áramérzékelők (más néven minimális lábnyomatú vagy kis formatényezőjű érzékelők) használata.
A megnövekedett teljesítménysűrűség és hatékonyság kombinációja révén a SiC-MOSFET teljesítménymodulok lehetővé tették a méret csökkentését és a hatótávolság növelését. A LEM és a Semikron Danfoss egy ideje szorosan együttműködött egy kifejezetten az elektromos hajtásláncokat célzó technológiai innováció kifejlesztésében.
A Semikron Danfoss olyan teljesítménymodult szándékozott kínálni ügyfeleinek, amely teljesen integrálja az érzékelő funkciót, miközben minimalizálja az alkatrész helyigényét. Ez egyszerűsítené az összeszerelést és csökkentené a költségeket. Bár kifejlesztettek egy olyan megoldást, amely a jelentős alapterület-csökkentést magasabb integrációs szinttel kombinálta, mégis a „minden egyben” csomagot részesítették előnyben. A tervezők egy olyan koncepcióval álltak elő, amely a LEM áramérzékelőjét a DCMTM platformba ágyazza.
Az 1200 V-os osztályú DCMTM1000X család a 750 és 1200 V-os SiC-MOSFET-ek (valamint a Si-IGBT-k) legújabb generációját használja. Ez azt jelenti, hogy a platform akár 1000 V-os egyenáramú kapcsolási feszültséget is lehetővé tud tenni, kielégítve az IEC 60664-1 szigeteléskoordinációs szabványt. A modul áramfelvételi képessége a felhasznált félvezetőterületnek köszönhetően akár 800 Arms-ra is skálázható.
Teljesen új koncepció
A két vállalat nemcsak egy teljesen új szerelési koncepciót fejlesztett ki, hanem egy olyan magalapú áramérzékelőt is létrehoztak, amely 60%-kal kisebb, mint bármely más, a piacon lévő magalapú áramérzékelő. A nagy sávszélességet és az áthallással szembeni kiváló immunitást is biztosító koncepció kiterjeszthető bármely teljesítménymodulra, gyűjtősínre vagy közös vezetőre, hogy az áramokat teljesen integrált módon lehessen mérni.
Az új nanoáram-érzékelő különösen alkalmas a DCMTM platformot használó EV vontatási inverterekhez és kompatibilis más Semikron Danfoss teljesítménymodul-platformokkal is. Amellett, hogy magas szintű integrációt kínál, a koncepció könnyen megvalósítható, és képes megfelelni a 800 V-os akkumulátorrendszerek összes szigetelési követelményének.
Az új érzékelő további jellemzői közé tartozik, hogy megbízható teljesítményt nyújt a legkülönbözőbb kihívást jelentő környezetekben, beleértve a nedvesség és a rezgések elleni védelmet is. Az eszköz különösen magas hőmérsékleten nyújt stabilitást, valamint jelentős mechanikai robusztusságot.
A DCMTM1000X egy transzfer fröccsöntött tápegység, amelynek táp- és jelvezetékei a ház oldalából lépnek ki. Ez némi üres helyet biztosít a ház felső oldala és a kapu meghajtó lapja között. A nanokoncepció innovatív ötlete egy olyan magalapú áramérzékelő kialakítása volt, amely elfér ezen a kihasználatlan helyen. Az 1. ábra a szerelvény robbantott nézetét mutatja.
A nanoérzékelő nagyfokú pontosságot, kiváló immunitást biztosít a külső mezőkkel szemben, nagy sávszélességet és magas jel-zaj arányt (SNR), ami a legtöbb magalapú áramérzékelőre jellemző. Ráadásul mivel az áramérzékelő alapterülete a tápegységen belül van, nem igényel extra helyet az inverterben.
1. ábra LEM nanoérzékelő integrálása a DCMTM1000X-be
Ugyanakkor nincs szükség más alkatrészek beépítésére ahhoz, hogy az érzékelőt mechanikusan rögzítsék, és elektromosan csatlakoztassák a vezérlőlaphoz. Mindezek a jellemzők azt jelentik, hogy a nanoérzékelő a legmagasabb szintű integrációt nyújtja bármely más magalapú áramérzékelőkhöz viszonyítva. Ez nemcsak a vertikális integráció folyamatát egyszerűsíti, hanem csökkenti a gyártási költségeket és meghosszabbítja a termék élettartamát is.
A gyűjtősín körül
A LEM kettős légréssel és nagy reluktancia-útvonallal rendelkező, a gyűjtősínt körülvevő mágneses magot tervezett, amely nagyobb áramoknál kezeli a mag telítődését, és csökkenti a magban lévő fluxussűrűséget. A vállalat tervezői olyan megoldást alkottak, amely két egyenes ferromágneses sávot tartalmazott – az egyiket a váltakozóáramú gyűjtősín tetején, a másikat pedig alatta helyezték el. A két légrésben Hall érzékelőelemeket helyeztek el.
2. ábra Az elkészült minta globális pontossága
3. ábra Az elkészült minta sávszélessége
A LEM megállapította, hogy a ráfröccsöntési (over-mold) folyamat kritikus lehet az érzékelő teljesítménye szempontjából. Ez a módszer ugyanis feszültséget hozhat a mag szerkezetébe, csökkentheti a telítési szintet, növelheti a mágneses eltolódást, és mindezek befolyásolhatják az általános pontosságot.
4a. ábra Az elkészült minta lépésválasza (100 A/Div és 200 µs/Div)
4b. ábra Az elkészült minta lépésválasza (100 A/Div és 5 µs/Div)
Mivel a helyszűke miatt a magot nem lehetett túlméretezni, a Danfossnál ráfröccsöntött és a LEM-nél kalibrált mintákat az összeszerelési folyamat során ellenőrizték. Az ellenőrzés megmutatta, hogy az új koncepció hogyan fog működni a végleges konfigurációban, beleértve a pontosság tesztelését különböző áramok és hőmérséklet-tartományok esetén. A ráfröccsöntési folyamat minimális különbséget okozott az érzékelő teljesítményében, a globális (mágneses + elektromos) eltolási hiba +/-5 A alatt, az érzékenységi hiba pedig 3% alatt volt (2. ábra). Hasonlóképpen, a sávszélesség (3. ábra), a lépésválasz (4a. és 4b. ábra) és a rövidzárlatteszt (5. ábra) a kész ráfröccsöntött mintákon megerősítette a 3 µs alatti válaszidőt.
5. ábra Az elkészült mintákon végzett rövidzárlat-vizsgálatok eredményei
A váltakozó áramú rendszer szintjének valós inverterüzemben történő teszteléséhez az A-mintás prototípust – amely a SiC-MOSFET legújabb generációjával rendelkezik – egy háromfázisú beállítás egyik fázisaként használták, amely lehetővé teszi a gyors kapcsolási tranzienseket a LEM nanoérzékelő robusztusságának ellenőrzésére a nagy dV/dt értékekkel szemben.
A DoE (Design of Experiment) során a következő elektromos paramétereket alkalmazták: fsw = 10 kHz, alapfrekvencia = 50 Hz, PF = 1, I = 650 Arms. A bemeneti víz/glikol keverék hőmérsékletét 30 °C körül tartották, 8 l/perc áramlási sebességgel. Teljesítményreferenciaként egy Fluxgate áramérzékelőt használtak. Az 5. ábra a szinuszos modulált árammal végzett vizsgálat eredményeit mutatja.
A kapott eredmények összhangban vannak a szimulációs és kalibrációs munkával, és konzisztens eredményeket mutatnak a különböző vizsgált áramszinteken, egészen 650 Arms-ig.
6. ábra Vizsgálati eredmények, a nanoérzékelő és a Fluxgate referenciaérték összehasonlítása
A hagyományos transzferfröccsöntési eljárások nemcsak nem teszik lehetővé az összekapcsolást felülről, hanem a fröccsöntő keverék magas hőmérsékleten történő kikeményedését is igénylik. Ezen okok miatt az érzékelőt úgy tervezték, hogy ketté lehessen osztani. Az alsó oldali mágneses mag a tápegységben, a felső oldali mágneses mag (az érzékelő elemekkel) pedig a tápegységen kívül helyezkedik el. A végleges elrendezés (7. ábra) egy szendvicsszerkezet a tápegység, az érzékelőelemek és a kapumeghajtólap között. Az érzékelőelem és a kapu meghajtó lapja között közvetlen összeköttetés is van.
7. ábra A végső összeállítás keresztmetszete
Az érzékelőnek a tok tetejéről történő összekapcsolásával olyan kialakítás érhető el, amely elegendő hézag- és kúszóhosszal rendelkezik a csomagon kívüli csatlakozók között: ez azt jelenti, hogy a nagyfeszültségű szigetelési követelmények teljesíthetők, valamint egyszerűsödik a kapumeghajtó kártya kialakítása.
A tok belsejében a ráfröccsöntött mágneses mag a fáziscsatlakozóval azonos potenciálra csatlakoztatott. A mágneses mag szélességének minimalizálása, valamint a mag és a szomszédos vezetékek közötti szigetelési távolság maximalizálása érdekében a gyűjtősín keresztmetszetének kis mértékű csökkentése történt. Ez a korlátozás nem befolyásolja a gyűjtősín mechanikai stabilitását, és nem okoz termikus problémákat, mivel a gyűjtősín egy olyan részén helyezkedik el, amely ráfröccsöntött és nagyon közel van a vízhűtéses hordozóhoz.
Fabio Carastro, a Semikron Danfoss vezető villamosmérnöke szerint: „A Semikron Danfoss DCMTM teljesítménymoduljának, a SiC-MOSFET chipeknek és a LEM teljesen integrált érzékelőjének kombinációja valóban az integráció és a teljesítménysűrűség következő szintjére emeli az autóipari invertereket.”
Damien Coutellier, a LEM vezető elektronikai mérnöke és nanoprojekt-vezetője hozzáteszi: „Ez a projekt jelentős kihívást jelentett, és sikere a Semikron Danfoss-szal való tökéletes partnerségben rejlik.”
LEM International SA
Route du Nant-d’Avril, 152.
1217 Meyrin, Switzerland
Tel.: +41 22 706 11 11
www.lem.com
Semikron Danfoss System Development
Carl-Zeiss-Ring 5
85737 Ismaning, Deutschland
www.danfoss.de
