La transmisión de tracción es donde se utiliza casi toda la energía de un vehículo eléctrico (VE). Por lo tanto, el sistema de propulsión debe funcionar con la mayor eficiencia posible mientras ocupa el menor espacio posible con el menor peso, todo para maximizar el rango del VE. Con el uso de unidades duales para mejorar la tracción, así como una arquitectura de 800 V para reducir las pérdidas, la industria necesita inversores que aumenten la potencia de salida desde un tamaño más pequeño para brindar una densidad de potencia mucho más allá de la capacidad de las tecnologías basadas en silicio (Si) como los IGBT. La última generación de módulos de potencia de carburo de silicio (SiC) de Wolfspeed está diseñada para satisfacer estas demandas con menores pérdidas, mayor densidad de potencia y menor tamaño. Este documento presenta el diseño de referencia del inversor dual trifásico CRD600DA12E-XM3 y revela cómo sus componentes, incluido el módulo de potencia CAB450M12XM3 y el controlador de compuerta CGD12HBXMP, junto con otras tecnologías clave, se unen en una solución diseñada para habilitar la tracción del VE de próxima generación.
Un resumen del sistema
El CRD600DA12E-XM3 consta de dos bancos de módulos de potencia CAB450M12XM3, cada uno con controladores de compuerta CGD12HBXMP (Figura 1). El objetivo general del diseño es maximizar el rendimiento a través de un diseño de alta ampacidad y baja inductancia que también sea de bajo costo y complejidad.
Figura 1: el diagrama de bloques del sistema (izquierda) muestra tres componentes principales: los dos módulos convertidores, cada uno con un controlador de compuerta, y el controlador. Los módulos de alimentación montados en la placa fría (A) y luego en el núcleo de alimentación con controladores de compuerta (B) también se muestran fuera de la carcasa del inversor dual (C). Se proporcionan manijas y pies para la portabilidad. D muestra la sección transversal de 204 mm x 267,5 mm.
Al diseñar el sistema, se deben considerar cinco puntos clave:
- La densidad de potencia alta que se puede lograr con el uso de la tecnología de carburo de silicio (SiC). Aunque el carburo de silicio (SiC) permite el funcionamiento a temperaturas más altas, la densidad de potencia alta habilitada requiere el uso de tecnologías avanzadas de disipación de calor.
- Las velocidades de conmutación rápidas hacen que el sistema sea más propenso a sobreimpulsarse y a sonar debido a la inductancia parásita; por lo tanto, es necesario reducir la inductancia parásita de la estructura de la barra colectora.
- Esta preocupación también exige una capacitancia de baja inductancia y alta tasa de ondulación mientras se vigila la reducción del tamaño.
- El circuito del controlador de compuerta debe tener la potencia de accionamiento adecuada para soportar las velocidades de conmutación exigidas y habilitadas por la tecnología de carburo de silicio (SiC).
- La densidad de potencia general debe ser significativamente alta para cumplir con los requisitos de la aplicación final.
Plataforma de módulo de potencia de elección: XM3
Un módulo de potencia basado en la plataforma de carburo de silicio (SiC) XM3 de Wolfspeed fue la elección obvia debido a su densidad de potencia excepcional. Su peso y volumen son aproximadamente la mitad que el módulo estándar de 62 mm, y la diferencia es aún más dramática en comparación con un EconoDUAL (Figura 2).
Figura 2: un módulo XM3 (arriba), comparación de tamaño (abajo a la izquierda) y una vista lateral que muestra los cables de alimentación no planos de XM3 (abajo a la derecha)
La plataforma XM3 está diseñada utilizando una estructura plana superpuesta para lograr una inductancia parásita baja. Los bucles de corriente dentro del módulo son anchos y de bajo perfil y producen una distribución uniforme entre los dispositivos, lo que da como resultado impedancias equivalentes en una posición de conmutador. Las terminales de alimentación del módulo también están desplazadas verticalmente. Esto permite que el diseño de un bus simple entre los capacitores del enlace de CC y el módulo se lamine hasta el módulo. El resultado final es una inductancia parásita de bucle de potencia de solo 6,7 nH a 10 MHz.
El módulo presenta la mitad de la inductancia parásita de los módulos estándar de la industria y menos de la mitad del volumen en un espacio de 53 × 80 mm. La plataforma XM3 ofrece productos optimizados para conmutación y conducción para diferentes aplicaciones de destino, como el módulo de medio puente CAB450M12XM3 de 1200 V y 450 A que se usa en este sistema.
Las características del XM3 incluyen un sensor de temperatura integrado en la posición del conmutador del lado bajo; conexión de detección de tensión incorporada (de-sat) para una fácil integración del controlador; y un substrato de energía de nitruro de silicio (Si3N4) de alta confiabilidad para mejorar la capacidad de ciclo de energía.
El rendimiento del sistema inversor se ve facilitado por varias tecnologías, que se describen a continuación, para aumentar la eficiencia de disipación de calor, reducir la inductancia parásita y disminuir el número de componentes y el tamaño.
La placa fría
La alta densidad de corriente que permiten los dispositivos de carburo de silicio (SiC) requiere una acumulación térmica de alto rendimiento para maximizar la transferencia de calor. Entre las muchas opciones disponibles en disipadores de calor, los tubos de cobre prensado son la opción económica popular para placas frías enfriadas por líquido. Si bien están disponibles placas frías de tubo de cobre delgadas (~12,7 mm) que soportan el montaje del módulo en ambos lados, tienen las desventajas de una alta resistencia térmica que es diferente para los dos lados, así como una alta caída de presión, lo que resulta en un enfriamiento inconsistente a través de la superficie y en ambos lados.
En cambio, el CRD600DA12E-XM3 utiliza la tecnología de microdeformación (MDT) de Wieland Microcool en la placa fría (Figura 3). MDT es un proceso de fabricación patentado, de bajo costo y no sustractivo que deforma mecánica y plásticamente la pieza de trabajo para formar microcanales finitos y repetibles.
Figura 3: Wolfspeed utiliza la tecnología MDT de Wieland Microcool que permite 20 aletas/pulgada (FPI) frente a 12 FPI estándar para reducir la resistencia térmica y permitir un enfriamiento uniforme.
Esta es la base de la placa fría de alto rendimiento con canales integrados que enfrían toda el área de contacto del módulo XM3. El perfil de la placa CP4012D-XP de doble cara está optimizado para adaptarse al tamaño del módulo XM3 con una reducción de tamaño con respecto a la generación anterior de CP3012.
Un flujo de enfriamiento equilibrado a una velocidad de 4 LPM en cada una de las seis posiciones del módulo da como resultado una resistencia térmica extremadamente baja de 0,048 °C/W por posición o 0,008 °C/W por placa fría. El sistema de enfriamiento ha sido probado con una disipación de potencia de hasta 750 W por conmutador con el CAB450M12XM3.
Fuerza del conductor
Debido a que los MOSFET de carburo de silicio (SiC) en el módulo del convertidor son capaces de un rendimiento de alta potencia, el controlador debe tener una potencia de accionamiento adecuada (valor nominal de la corriente de salida pico o cuánta corriente se utiliza para encender y apagar los dispositivos) para sostener velocidades de conmutación rápidas. Se recomienda una clasificación >10-A para garantizar tasas de borde altas. Y el controlador de puerta CGD12HBXMP de Wolfspeed cumple.
Figura 4: la estructura de doble núcleo de potencia XM3 admite los controladores de compuerta para mejorar la estabilidad y facilitar la introducción de una ruta térmica.
El controlador de puerta de dos canales está protegido contra sobrecorriente y polaridad inversa y tiene suministros de energía aisladas de 2 W integradas para admitir una frecuencia de conmutación de 80 kHz. Sus resistores de puerta de encendido y apagado configurables por el usuario permiten la optimización de la pérdida de conmutación.
El controlador también cuenta con detección de sobrecorriente ajustable con apagado suave, bloqueo de baja tensión y antisuperposición de entradas PWM. También ofrece un tiempo de inicio de ~2 µs para apagar de forma segura en caso de cortocircuito.
Debido a que los MOSFET de carburo de silicio (SiC) tienen una alta tasa de dV/dt, una calificación de inmunidad transitoria de modo común (CMTI) inadecuada puede permitir la retención entre la salida lógica y la del controlador, lo que provoca una falla de hardware. El CGD12HBXMP ofrece una clasificación CMTI alta de 100 kV/μs, capacitancia de aislamiento baja (<5 pF) y entradas diferenciales para aumentar la inmunidad al ruido.
El CGD12HBXMP también comparte el mismo espacio que el módulo XM3, lo que permite formar un núcleo de alimentación compacto con seis módulos CAB450M12XM3 y sus controladores integrados en la placa fría (Figura 4). Esto se convierte en una solución compacta para una fácil integración en diseños de doble inversor.
Capacitor de enlace de DC
Figura 5: el capacitor de enlace de DC personalizado (izquierda) y una comparación de tamaño a escala con seis tapas cilíndricas estándar
La reducción de la inductancia parásita es una preocupación clave y, como se mencionó anteriormente, se reduce en parte gracias a las terminales de alimentación desplazadas verticalmente en los módulos XM3 para simplificar el diseño de la barra colectora y reducir la inductancia del bucle de alimentación. Esta preocupación se aborda aún más en la elección del capacitor de enlace de DC que se muestra en la Figura 5.
La huella del capacitor es uno de los mayores obstáculos para aumentar la densidad de potencia. Normalmente se utilizarían seis capacitores cilíndricos de 100 µF listos para usar para lograr el valor nominal de la corriente de ondulación requerida, ocupando un espacio de 451 cm2 y requiriendo una barra colectora separada.
En su lugar, Wolfspeed utilizó un capacitor de enlace de DC de diseño personalizado (Figura 5) con un tamaño compacto de solo 234 cm2. Cuenta con bus laminado integrado conectado a las terminales de alimentación de los módulos de alimentación XM3 en ambos lados de la placa fría, lo que reduce la inductancia parásita en el bucle de alimentación y garantiza una ruta de corriente equilibrada para ambos conjuntos de módulos. El número de componentes también se reduce al eliminar la barra colectora y el hardware por separado.
El capacitor personalizado es de 600 µF a 900 V con un valor nominal de la tensión de 1200 V. Debido a que la inductancia parásita del capacitor y la barra colectora integrada son fundamentales para reducir los picos de tensión bajo las altas tasas de di/dt comunes en el carburo de silicio de conmutación rápida (SiC), el diseño se validó con un analizador de impedancia que midió una inductancia en serie equivalente a 13 nH en las terminales. En combinación con la inductancia de 6,7 nH del módulo XM3, se logra una inductancia de bucle de alimentación total de solo 20 nH, lo que permite utilizar velocidades de conmutación más rápidas.
El controlador
La selección del procesador para la placa del controlador en este sistema debía basarse en las siguientes consideraciones:
- Debe tener suficientes "caballos de fuerza" de procesamiento para muestrear todas las entradas y tomar decisiones de control.
- Debe tener un recuento de ADC lo suficientemente alto como para permitir que se midan todos los estados del sistema requeridos para un control y monitoreo adecuados.
- Debe tener interrupciones de hardware rápidas para responder a condiciones de falla.
- Debe admitir comunicaciones basadas en estándares fundamentales para un funcionamiento adecuado.
Por lo tanto, la placa controladora del sistema utiliza un DSP de 32 bits y 200 MHz de punto flotante de doble núcleo de Texas Instruments. El DSP tiene suficientes entradas ADC para medir corriente, tensión y temperatura y ofrece soporte de comunicación, incluido CAN aislado.
Sensores de corriente
El inversor dual utiliza seis sensores de corriente en las terminales de salida. Con esa cantidad de sensores en el sistema, cualquier reducción de tamaño en los módulos de sensores elegidos rápidamente se vuelve significativa. Aunque los módulos de sensores de corriente COTS están fácilmente disponibles, pueden ser voluminosos. Además, algunos de los módulos de sensores tres en uno del mercado añaden restricciones a la geometría de los buses.
Para el sistema CRD600DA12E-XM3, Wolfspeed eligió el sensor de efecto Hall Melexis MLX91208 de CC a 250 kHz para proporcionar una señal de salida analógica de alta velocidad proporcional a la densidad de flujo externa aplicada horizontalmente, con un tiempo de respuesta tan bajo como 3 µs.
El sensor está empaquetado en un SOIC de ocho pines y es lo suficientemente pequeño como para montarse en una PCB compacta que luego se puede conectar directamente a una barra colectora de salida. La flexibilidad del montaje en PCB permite la simplificación del bus de salida.
Además, el MLX91208 utiliza un magnetoconcentrador integrado (IMC) depositado en la matriz CMOS, lo que elimina la necesidad de un gran núcleo ferromagnético (Figura 6). Este conjunto ocupa 91,6 ml frente al volumen de 800 ml de otro conjunto de sensor popular utilizado en la industria automotriz.
Figura6: el sensor IMC-Hall de Melexis evita los núcleos ferromagnéticos voluminosos para reducir significativamente el volumen.
Las altas tasas de dV/dt típicas de los inversores de carburo de silicio (SiC) pueden crear ruido en las señales sensibles de baja tensión, como las de los sensores de corriente. La proximidad del sensor de corriente a los nodos de conmutación los hace aún más susceptibles. Esto también es cierto para el cableado entre el sensor y el controlador, que puede captar el ruido a medida que se enruta por el sistema.
El sensor elegido por Wolfspeed requiere solo un escudo magnético laminado en forma de U para proteger contra campos externos y homogeneizar el campo. Una capa de tierra en la PCB bloquea el acoplamiento capacitivo de la barra colectora al sensor. El uso de señalización diferencial reduce significativamente el impacto del ruido radiado por la conmutación. Además, el uso de cableado CAT6 blindado de par trenzado entre las placas de sensores y el controlador garantiza que cualquier ruido sea de modo común en ambas señales del par diferencial.
Prueba de rendimiento
Se llevó a cabo una prueba de doble pulso con carga inductiva fijada en condiciones de conmutación agresivas utilizando una resistencia de compuerta baja para validar todo el bucle de alimentación. Las formas de onda de carga de corriente constante mostraron una energía de conmutación de encendido de 23,1 mJ a 800 V y 600 A, con un pico de sobrepaso de corriente de 113 A.
La energía de conmutación de desconexión fue de 30,1 mJ. El margen de tensión del bus para el troquel fue de 80 V, que se encuentra en una condición de sobrecarga doble en comparación con la clasificación nominal del módulo.
A continuación, se calcularon las pérdidas de conmutación por módulo a partir de la energía de encendido conocida de 12,2 mJ y la energía de apagado de 12 mJ en la condición nominal de 300 A. Usando la fórmula para la pérdida de potencia de conmutación (PSW),
y enchufando el EON y una frecuencia de conmutación (fSW) de 10 kHz,
esta pérdida es 3 veces menor que un IGBT de Si comparable (HybridPack 1,200 V, 380 A nominal), con carburo de silicio (SiC) que tiene la gran ventaja de un extremadamente baja energía de recuperación inversa (ERR).
Figura 7: la disposición de la barra colectora de salida ofrece flexibilidad para habilitar aplicaciones que requieren salidas de mayor corriente desde un solo inversor.
El diseño también se validó en condiciones de aplicación mediante una prueba de carga de recirculación trifásica.
La disposición flexible del terminal de salida del diseño facilitó la configuración de la prueba: las seis salidas se pueden utilizar como dos inversores trifásicos independientes que entregan 375 ARMS cada uno o, con la adición de una barra colectora simple y el paralelismo de fases, como un único inversor trifásico. inversor capaz de 750 ARMS (Figura 7).
Para la prueba, se utilizó la configuración de un solo inversor con las salidas de CA U y X combinadas para formar la fase A, V e Y, la fase B, y W y Z, la fase C. Se conectaron tres inductores de carga de 125 µH entre una de las terminales de salida del inversor y el punto medio de un gran banco de capacitores (2,2 mF por mitad) clasificado para 1100 V.
Esto permite realizar pruebas de alta potencia con solo unos pocos kilovatios de potencia suministrada y con la fuente de tensión de CC solo alimentando las pérdidas del sistema. La energía se transfiere de la mitad de los capacitores a la otra mitad a través de los inductores durante cada ciclo de conmutación y la dirección de la transferencia de energía se invierte durante un ciclo de frecuencia fundamental.
Después de una prueba de cinco minutos a una tensión de bus de 800 V, la caja del capacitor alcanzó 13 °C por encima de la temperatura ambiente, mientras que el punto caliente del controlador de puerta midió 40 °C por encima de la temperatura ambiente. Para una frecuencia de conmutación de 10 kHz y una frecuencia fundamental de 300 Hz, la corriente de salida en paralelo RMS fue de 750 A, equivalente a 624 kW de potencia de salida. La ondulación de corriente con el inductor de carga elegido fue de 160 A a 10 kHz, mientras que la corriente combinada máxima alcanzó los 1200 A, incluida la ondulación de corriente.
Figura 8: pérdidas de potencia del inversor (izquierda) y eficiencia (derecha) a 800 V, 10 kHz, 25 °C de enfriador
La energía de conmutación a 10 kHz, 375 A fue de 31 mJ. Para las pérdidas totales de 5,53 kW o 460 W por conmutador, las pérdidas de conmutación fueron de 1,8 kW. Esto da como resultado una eficiencia superior al 99 % para el inversor hasta 624 kW (Figura 8).
Cumpliendo con las cinco consideraciones de diseño clave establecidas anteriormente, el diseño de referencia del inversor dual trifásico CRD600DA12E-XM3 utiliza los módulos de potencia CAB450M12XM3 para lograr una potencia de salida máxima de 624 kW y un valor nominal de la corriente de 375 Arms por fase o 750 Arms en paralelo.
La última palabra
Cumpliendo con las cinco consideraciones de diseño clave establecidas anteriormente, el diseño de referencia del inversor dual trifásico CRD600DA12E-XM3 utiliza los módulos de potencia CAB450M12XM3 para lograr una potencia de salida máxima de 624 kW y un valor nominal de la corriente de 375 Arms por fase o 750 Arms en paralelo.
En el gabinete completamente metálico de 204 × 267,5 × 157,5 mm (que se muestra en la Figura 1), esta solución pesa 9,7 kg y ocupa solo 8,6 L en volumen para alcanzar la densidad de potencia excepcionalmente alta de 72,5 kW/L. Esto es más del doble de lo logrado por el diseño de referencia anterior de carburo de silicio (SiC) de 300 kW y 3,6 veces mejor que lo que es posible con un inversor basado en IGBT de clasificación equivalente (Tabla 1).
Para obtener más información sobre el diseño de referencia del inversor dual trifásico CRD600DA12E-XM3, el módulo de potencia CAB450M12XM3 y el controlador de compuerta CGD12HBXMP, comuníquese con el equipo de potencia de Wolfspeed.