Analyse des applications et des solutions des onduleurs de traction

Les deux principales considérations de conception pour les onduleurs de traction sont l'efficacité de conversion et la puissance de crête. Plus l'efficacité de conversion du courant continu (DC) au courant alternatif (AC) est élevée, plus l'autonomie est longue avec la même batterie. Une efficacité plus élevée signifie également que le système peut fournir plus de puissance tout en gérant moins de chaleur. La puissance de crête de l'onduleur de traction détermine les performances globales du véhicule, en particulier ses capacités de couple instantané et d'accélération. L'efficacité (autonomie) et la puissance de crête (performance) définissent en fin de compte l'application et le cas d'utilisation du véhicule.   Les onduleurs de traction génèrent la plus grande demande de SiC dans toutes les applications de véhicules électriques (EV), et cette demande devrait encore augmenter à mesure que les applications adoptent des batteries de 800V. Les avantages de la technologie SiC seront encore plus significatifs par rapport aux systèmes basés sur les IGBT.   Dans les applications de puissance, la densité de puissance est importante, mais la fiabilité est tout aussi critique, et dans certaines applications, elle peut même être encore plus cruciale. Bien que les ingénieurs puissent souvent résoudre des limitations de performance, ils sont moins enclins à accepter des pannes réelles pouvant entraîner des temps d'arrêt imprévus ou des réparations, car ces dernières peuvent avoir des impacts inattendus significatifs sur l'entreprise.

Technologies et architectures de conception associées aux onduleurs de traction

Les véhicules électriques à batterie (BEVs) dépendent entièrement de l'énergie stockée dans des packs de batteries haute tension et nécessitent les onduleurs de traction les plus efficaces ainsi qu'une ingénierie avancée des moteurs. Il existe peu d’architectures identiques sur le marché, ce qui entraîne des exigences différentes en matière d’onduleurs de traction. La principale différence réside dans la manière dont le moteur est connecté aux roues : directement ou via un différentiel.   La transmission directe peut atteindre une meilleure efficacité, nécessite moins de maintenance et offre une mise en œuvre plus simple, mais elle demande généralement un volume plus grand en raison des besoins de basse vitesse. L’implémentation avec un différentiel augmente la densité de puissance grâce à un fonctionnement à des régimes plus élevés (RPM) et au rapport de démultiplication fixe du différentiel, mais les engrenages mécaniques nécessitent un entretien et subissent des pertes liées à la transmission.   En améliorant l'efficacité et la robustesse de l'onduleur de traction, l'efficacité globale du véhicule peut être augmentée. Cependant, l'onduleur ne se résume pas uniquement à un module de 6 MOSFETs ; il inclut également des circuits auxiliaires de protection et de surveillance pour prévenir les défaillances au niveau système. Une commutation rapide et fiable dans l'onduleur, associée à des signaux de surveillance pour réduire le risque de panne, a des implications supplémentaires pour le choix des pilotes de grille. De plus, les BEVs et HEVs intègrent divers systèmes électroniques adjacents responsables de la régulation de la puissance, de la gestion des batteries et du mouvement du véhicule.   Le module le plus critique de l’onduleur de traction est son étage de puissance, qui se compose de commutateurs haute puissance tels que les modules de puissance intégrés basés sur IGBT et MOSFET SiC. L’étage de puissance est contrôlé par un circuit intégré de gestion de puissance, un microcontrôleur (MCU), ou une combinaison des deux. Les commutateurs sont surveillés et protégés par la mesure de la température, de la tension et du courant de l’étage de puissance pendant le fonctionnement.   Le contrôle des commutateurs est réalisé via le MCU, qui génère le signal PWM initial. Le pilote de grille isolé amplifie le signal PWM généré et fournit une charge suffisante pour activer et désactiver les commutateurs haute puissance. Le MCU doit contrôler et modifier la modulation de l’onduleur en fonction des signaux de rétroaction reçus tels que la tension, le courant et la position du moteur.

Les MOSFET sont les composants les plus critiques dans l'étage de puissance des onduleurs de traction

Les MOSFETs dans l'étage de puissance des onduleurs de traction sont les composants les plus critiques, car ils contrôlent le courant qui alimente le moteur pour générer du mouvement. Les trois branches de l'onduleur convertissent la tension continue de la batterie en tension et courant alternatif triphasés pour entraîner le moteur. L'étage de puissance est surveillé et protégé par la détection de la température, de la tension et du courant pendant le fonctionnement.   onsemi propose trois approches pour construire des étages de puissance hautes performances avec des dispositifs EliteSiC™. La première est la solution la plus intégrée utilisant un module 6-pack unique (SSDC39) avec un dissipateur thermique pin-fit. La seconde utilise trois modules demi-pont (AHPM15) pour offrir une plus grande flexibilité de conception tout en maintenant les performances. La troisième utilise six MOSFET M3e au format bare die sans boîtier pour créer une conception de module sur mesure.   Le module de puissance EliteSiC 6-pack pour onduleurs de traction - SSDC39 - offre des performances accrues, une meilleure efficacité et une densité de puissance plus élevée dans une solution de package standard du secteur. Le module NVXR17S90M2SPB intègre des MOSFET SiC 900V 1,7 mΩ dans la configuration 6-pack, package SSDC39. Pour faciliter l'assemblage et améliorer la fiabilité, les broches press-fit de nouvelle génération sont intégrées aux terminaux de signal du module de puissance. Pour le refroidissement direct, le package rempli de gel intègre un dissipateur thermique à ailettes optimisé dans la plaque de base, conçu pour répondre à la norme automobile AQG324.   Le module de puissance demi-pont EliteSiC pour onduleurs de traction - AHPM15 - comprend le module de puissance NVVR26A120M1WSS, qui intègre des MOSFET SiC 1200V 1,7 mΩ dans une configuration demi-pont. Ce module présente une faible inductance parasite (7,1 nH) et RDS(ON), ce qui le rend idéal pour les applications d'onduleurs de traction des véhicules hybrides et électriques à batterie. La famille de modules AHPM15 est disponible en deux variantes d'onglets d'alimentation, incluant des onglets droits ou à 90°. Pour améliorer la fiabilité et les performances thermiques, la fixation des puces utilise la technologie de frittage, et le module est conçu pour répondre à la norme AQG324.   Le NCS025M3E120NF06X, basé sur la nouvelle technologie MOSFET EliteSiC™ 1200V M3e, est le MOSFET SiC 1200V de troisième génération haute performance d’onsemi au format bare die sans boîtier. Le bare die de 5x5 mm peut être implémenté dans tout dispositif de module personnalisé. La famille de produits M3e, basée sur la dernière génération de technologie MOSFET SiC d'onsemi, offre la résistance à l'état passant (typique) la plus faible de sa catégorie, avec VGS = 18V, ID = 135A, TJ = 25℃ à 11,0 mΩ, ce qui en fait un choix idéal pour les onduleurs de traction automobile.   De plus, onsemi a introduit les modules de puissance EliteSiC B2S et B6S pour la traction des véhicules électriques, basés sur la nouvelle technologie SiC M3e 1200V. Le module B2S est un demi-pont fritté, et le B6S est un module 6-pack plus grand avec dissipateur thermique intégré. Le B2S repousse les limites des hautes performances et de l’efficacité des onduleurs de traction, offrant une évolutivité de conception de 160 à 400 kW. L'espacement des cellules unitaires du MOSFET M3e est réduit de plus de 60 % par rapport à la famille M1. Les MOSFET planaires SiC ont accumulé des trillions d'heures d'expérience sur le terrain avec des taux de panne faibles, et un dépistage de défauts à 100 %, des tests électriques accélérés et une vérification de contrainte de l'oxyde de grille adressent les faiblesses du SiC. Les die de SiC et le dissipateur thermique sont fixés via la technologie de frittage.

La technologie IGBT reste la pierre angulaire de la technologie des véhicules électriques

Les transistors bipolaires à grille isolée (IGBTs) demeurent la pierre angulaire de la technologie des véhicules électriques (VE), favorisant des améliorations en matière d'efficacité, de fiabilité et de durabilité. En tant que pilier des systèmes de gestion de puissance des VE, les IGBT peuvent gérer de fortes charges électriques avec une stabilité remarquable, assurant des performances constantes à long terme. Cette fiabilité est essentielle pour les VE, car les besoins en énergie fluctuent considérablement entre une accélération rapide et le freinage régénératif.   Les IGBT restent une option économique et ont été le choix privilégié pour les transmissions électriques des VE pendant de nombreuses années. Cependant, les MOSFETs en SiC gagnent du terrain grâce à leurs avantages en matière d'efficacité et de performance thermique, les rendant une option de plus en plus attractive pour la prochaine génération de VE.   onsemi continue de perfectionner et d'élargir son portefeuille de produits IGBT, en introduisant de nouvelles technologies IGBT telles que le Narrow Mesa Field Stop (FS4 et FS7), qui affiche des pertes d'énergie réduites en charge légère et une efficacité globale améliorée des systèmes pour les applications automobiles.   Le module de puissance IGBT en configuration "6-pack" de onsemi = NVH660S75L4SPFB - intègre six IGBT Narrow Mesa FS4 750V dans une configuration "6-pack". Ce module excelle à fournir une densité de courant élevée tout en offrant une protection robuste contre les courts-circuits et une tension de blocage supérieure. Il utilise le boîtier SSDC33 à faible inductance parasite avec un refroidissement direct et un dissipateur thermique à base plane.   Un autre module de puissance IGBT en demi-pont - NVG600A75L4DSC2 - intègre deux IGBT FS4 750V dans une configuration en demi-pont. Le module intègre des capteurs de température et de courant au niveau des puces, et le boîtier de refroidissement double face AHPM15 améliore la performance thermique.   De plus, onsemi propose deux kits matériels d'évaluation (designs de référence) pour les applications d'onduleurs de traction pour VE/HEV (jusqu'à 150 kW) basés sur la famille de modules de puissance IGBT VE-Trac. Ces kits d'évaluation (EVK) permettent aux clients d'évaluer les performances du module de puissance VE-Trac Direct dès les premières étapes du développement des onduleurs. Il existe deux variantes d'EVK basées sur les modules de puissance "6-pack" et demi-pont. Les kits peuvent être utilisés comme testeur de double impulsion pour mesurer les paramètres clés de commutation ou comme onduleur triphasé pour le contrôle moteur.

Modules de puissance EliteSiC et IGBT entièrement spécifiés et cartes d'évaluation

Les caractéristiques de commutation des modules IGBT et SiC sont influencées par de nombreux paramètres externes, tels que la tension, le courant, la température, la configuration de la grille et des éléments parasites. L'inductance du circuit de liaison CC et l'inductance du circuit de grille affectent les caractéristiques de commutation des modules de puissance IGBT et SiC. Un banc de test à double impulsion est utilisé pour mesurer les caractéristiques de commutation de deux modules, notamment le modèle NVXR17S90M2SPB de classe 900V EliteSiC 1,7 mΩ et le modèle NVH950S75L4SPB de classe 750V VE−Trac IGBT, tous deux dans un boîtier SSDC33 à inductance parasite ultra-faible (8 nH). La solution discrète d’onsemi pour les inverseurs de traction est le MOSFET EliteSiC™, prenant en charge des tensions de 650V~1200V, repoussant continuellement les limites de RDS(ON), QG, RSP, etc.   onsemi propose également une carte d'évaluation de testeur à double impulsion (DPT) discrète - EVBUM2897 - conçue pour des mesures comparatives de modules SiC, Si MOSFETs et IGBTs dans des boîtiers discrets. L'utilisation principale du testeur est le test de performances de commutation et la comparaison des différents types de dispositifs ou boîtiers.   onsemi offre également une plaque chauffante et une carte d'extension de générateur à double impulsion - EVBUM2901 - fournissant des conditions de test à température élevée et une génération variable de PWM à 10 impulsions pour la carte discrète DPT. L'EVBUM2901, associé à la carte DPT, prend en charge l'utilisation de cartes filles pour des tests à haute température de tous les boîtiers discrets (SiC, Si) d’onsemi avec une tension de claquage de 1200V.   Le module intelligent de puissance (IPM) NFVA25012NP2T de onsemi est un module 1200V, 50A conçu pour des moteurs auxiliaires haute tension, offrant une sortie d'onduleur haute performance et entièrement équipée pour les véhicules hybrides et électriques. Ce module intègre un onduleur triphasé IGBT 1200V, 50A avec des commandes optimisées de grille, des fonctionnalités de contrôle et de protection. Il est recommandé pour les applications auxiliaires telles que les compresseurs électriques de climatisation (HVAC), les pompes à huile et à eau haute tension, les compresseurs haute tension et diverses ventilations.   Les drivers de grille monocanal à haute intensité de onsemi, NCV57001 et NCV57100, sont conçus pour une efficacité système élevée et une fiabilité dans des applications haute puissance telles que les inverseurs de traction. Sur le plateau de Miller, le NCV57100 peut fournir jusqu'à ±7A, tandis que le NCV57001 peut fournir +4/-6A. Ces drivers présentent une isolation galvanique interne et incluent des entrées complémentaires, des sorties défaut et prêtes en drain ouvert, une bride active de Miller, des UVLOs précis, une protection DESAT et une coupure douce DESAT.   De plus, il existe une carte d'évaluation équipée du driver NCV51752 (NCV51152), qui intègre un contrôle de polarisation négative interne, éliminant la nécessité pour le système de fournir une polarisation négative externe au driver. La carte d'évaluation dispose de plusieurs variantes de disposition de PCB pour le test de tous les boîtiers MOSFET SiC discrets pris en charge par onsemi.

Conclusion

Le convertisseur de traction est le composant central du groupe motopropulseur des véhicules électriques (VE) et des véhicules hybrides électriques (VHE), chargé de convertir l'énergie haute tension en courant continu (DC) en courant alternatif (AC) pour entraîner le moteur. Ses performances affectent directement l'efficacité, la puissance et l'autonomie du véhicule. En regardant vers l'avenir, les constructeurs automobiles et les fabricants de la chaîne d'approvisionnement doivent continuellement optimiser la conception des convertisseurs de traction pour garantir une densité de puissance plus élevée, des pertes plus faibles et une performance de gestion thermique supérieure, tout en prenant en compte la légèreté et la fiabilité pour répondre aux besoins des VE de nouvelle génération. onsemi propose des solutions de convertisseur de traction entièrement spécifiées qui amélioreront encore les performances des VE, favoriseront le transport intelligent et le développement de l'énergie durable, et aideront l'industrie automobile mondiale à progresser vers un avenir zéro carbone.