C’est dans la traction que la quasi-totalité de l’énergie d’un véhicule électrique (VE) est utilisée. Le système d’entraînement doit donc être le plus efficace possible tout en occupant un espace minimal avec le poids le plus léger qui soit, le tout afin de maximiser l’autonomie du véhicule électrique. Compte tenu de l’utilisation d’entraînements doubles pour améliorer la traction et du recours à une architecture 800 V pour réduire les pertes, l’industrie a besoin d’onduleurs qui augmentent la puissance de sortie à partir d’une taille plus petite pour fournir une densité de puissance bien au-delà de la capacité des technologies à base de silicium (SiC) telles que les IGBT. La dernière génération de modules de puissance en carbure de silicium (SiC) de Wolfspeed est conçue pour répondre à ces exigences en réduisant les pertes, en augmentant la densité de puissance et en réduisant la taille. Cet article présente le nouveau modèle de référence du double onduleur triphasé CRD600DA12E-XM3 et explique comment ses composants, y compris le module de puissance CAB450M12XM3 et le pilote de grille CGD12HBXMP, ainsi que d’autres technologies clés, sont réunis dans une solution conçue pour permettre la traction des véhicules électriques nouvelle génération.
Présentation du système
Le CRD600DA12E-XM3 comprend deux banques de modules de puissance CAB450M12XM3, chacun avec des pilotes de grille CGD12HBXMP (Figure 1). L’objectif global de la conception est de maximiser les performances grâce à une conception à haute capacité et à faible inductance qui est également peu coûteuse et peu complexe.
Figure 1 : le schéma fonctionnel du système (à gauche) montre trois composants principaux : les deux modules de conversion, chacun doté d’un pilote de grille, et le contrôleur. Les modules de puissance montés sur la plaque froide (A), puis dans le noyau de puissance avec les pilotes de grille (B), sont également montrés à l’extérieur de l’enceinte du double onduleur (C). Des poignées et des pieds sont prévus pour le transport. D montre la section transversale de 204 mm x 267,5 mm.
Lors de la conception du système, cinq points essentiels ont dû être pris en compte :
- La densité de puissance élevée obtenue grâce à l’utilisation de la technologie du carbure de silicium (SiC). Bien que le carbure de silicium (SiC) permette un fonctionnement à plus haute température, la densité de puissance élevée qu’il permet exige l’utilisation de technologies avancées de dissipation de la chaleur.
- Les commutations de vitesse rapides rendent le système plus vulnérable au dépassement et à la sonnerie causés par l’inductance parasite ; par conséquent, l’inductance parasite doit être réduite à partir de la structure du jeu de barres.
- Cette préoccupation exige également une capacité à faible inductance et à haut niveau d’ondulation, tout en gardant à l’esprit la réduction de la taille.
- Le circuit de commande de grille doit avoir une force d’entraînement suffisante pour supporter les commutations de vitesse exigées et permises par la technologie du carbure de silicium (SiC).
- La densité de puissance globale doit être considérablement élevée pour répondre aux exigences de l’application finale.
Plateforme de choix du module de puissance : XM3
Un module de puissance basé sur la plateforme XM3 de Wolfspeed, entièrement en carbure de silicium (SiC), s’est imposé comme un choix évident en raison de sa densité de puissance exceptionnelle. Son poids et son volume sont environ deux fois inférieurs à ceux d’un module standard de 62 mm, et la différence est encore plus marquée par rapport à un module EconoDUAL (figure 2).
Figure 2 : module XM3 (en haut), comparaison de taille (en bas à gauche) et vue latérale montrant les fils d’alimentation non planaires du XM3 (en bas à droite).
La plateforme XM3 est conçue à l’aide d’une structure planaire chevauchante afin d’obtenir une faible inductance parasite. Les boucles de courant à l’intérieur du module sont larges et peu encombrantes et assurent une distribution uniforme entre les dispositifs, ce qui permet d’obtenir des impédances équivalentes à travers une position de commutation. Les bornes d’alimentation du module sont également décalées verticalement. Cela permet de concevoir une simple barre entre les condensateurs de liaison CC et le module, qui doit être laminée jusqu’au module. Le résultat final est une inductance de fuite de la boucle de puissance de seulement 6,7 nH à 10 MHz.
Le module présente une inductance parasite réduite de moitié par rapport aux modules standard de l’industrie et un volume inférieur à la moitié dans un encombrement de 53 × 80 mm. La plateforme XM3 offre des produits optimisés pour la commutation et la conduction pour différentes applications cibles, comme le module CAB450M12XM3 1 200 V, 450 A, demi-pont utilisé dans ce système.
Les caractéristiques du XM3 comprennent un capteur de température intégré sur la position du commutateur du côté bas, une connexion de détection de tension intégrée (de-sat) pour une intégration facile du pilote, et un substrat de puissance en nitrure de silicium à haute fiabilité (Si3N4) pour une meilleure capacité de recyclage de l’énergie.
Les performances du système d’onduleur sont en outre améliorées par plusieurs technologies, décrites ci-dessous, qui permettent d’accroître l’efficacité de la dissipation thermique, de réduire l’inductance parasite et de diminuer le nombre de composants ainsi que la taille.
La plaque froide
La densité de courant élevée permise par les dispositifs en carbure de silicium (SiC) nécessite un empilement thermique de haute performance pour maximiser le transfert de chaleur. Parmi les nombreuses options disponibles pour les dissipateurs de chaleur, les tubes en cuivre pressé sont le choix économique le plus répandu pour les plaques froides refroidies par liquide. Il existe des plaques froides en tubes de cuivre minces (environ 12,7 mm) qui permettent le montage de modules des deux côtés, mais elles présentent l’inconvénient d’avoir une résistance thermique élevée, différente pour les deux côtés, ainsi qu’une perte de charge élevée, ce qui entraîne un refroidissement irrégulier sur toute la surface et sur les deux côtés.
Le CRD600DA12E-XM3 utilise la technologie de micro-déformation (MDT) de Wieland Microcool dans la plaque de refroidissement (Figure 3). Le MDT est un procédé de fabrication breveté, peu coûteux et non soustractif, qui déforme mécaniquement et plastiquement la pièce pour former des microcanaux finis et reproductibles.
Figure 3 : Wolfspeed utilise la technologie MDT de Wieland Microcool qui permet d’utiliser 20 ailettes/pouce (FPI) au lieu des 12 FPI standard afin de réduire la résistance thermique et de permettre un refroidissement uniforme.
C’est la base de la plaque froide haute performance avec des canaux intégrés qui refroidissent toute la surface de contact du module XM3. Le profil de la plaque CP4012D-XP double face est optimisé pour correspondre à l’empreinte du module XM3 avec une réduction de taille par rapport à la génération précédente CP3012.
Un flux équilibré de liquide de refroidissement à un taux de 4 LPM à travers chacune des six positions du module résulte en une résistance thermique extrêmement faible de 0,048 °C/W par position ou 0,008 °C/W par plaque froide. Le système de refroidissement a été testé jusqu’à une dissipation de puissance de 750 W par commutateur avec le CAB450M12XM3.
Résistance du pilote
Les MOSFET en carbure de silicium (SiC) du module convertisseur étant capables d’offrir des performances élevées en matière de puissance, le pilote doit avoir une force d’entraînement adéquate, une crête de courant de sortie, ou quantité de courant utilisée pour allumer et éteindre les dispositifs, pour supporter des commutations de vitesse rapides. Une valeur >10-A est recommandée pour garantir des taux de bord élevés. Et le pilote de grille CGD12HBXMP de Wolfspeed fournit ces performances.
Figure 4 : la structure à double cœur d’alimentation du XM3 supporte les pilotes de grille pour améliorer la stabilité et faciliter l’introduction d’un chemin thermique.
Le pilote de grille à deux canaux est protégé contre les surintensités et les inversions de polarité et dispose d’alimentations électriques isolées de 2 W pour supporter une fréquence de commutation de 80 kHz. Ses résistances de grille configurables par l’utilisateur permettent d’optimiser les pertes de commutation.
Le pilote est également doté d’une détection de surintensité réglable avec arrêt progressif, d’un verrouillage en cas de sous-tension et d’une fonction anti-chevauchement des entrées PWM. Il offre également un temps d’amorçage et d’extinction d’environ 2 µs pour s’éteindre en toute sécurité en cas de court-circuit.
Les MOSFET en carbure de silicium (SiC) ayant un taux dV/dt élevé, une immunité transitoire en mode commun (CMTI) inadéquate peut permettre un verrouillage entre la logique et la sortie du pilote, entraînant une défaillance du matériel. Le CGD12HBXMP offre un indice CMTI élevé de 100 kV/μs, une faible capacité d’isolation (<5 pF) et des entrées différentielles pour une meilleure immunité au bruit.
Le CGD12HBXMP partage également le même encombrement que le module XM3, ce qui permet de former un noyau de puissance compact avec six modules CAB450M12XM3 et leurs pilotes intégrés sur la plaque froide (figure 4). Il s’agit alors d’une solution compacte qui s’intègre facilement dans les conceptions à double onduleur.
Condensateur du circuit intermédiaire
Figure 5 : le condensateur de liaison CC personnalisé (à gauche) et une comparaison de taille à l’échelle avec six condensateurs cylindriques standard.
La réduction de l’inductance parasite est une préoccupation majeure et, comme indiqué précédemment, elle est en partie réduite par les bornes d’alimentation décalées verticalement sur les modules XM3 afin de simplifier la conception du jeu de barres et de réduire l’inductance de la boucle d’alimentation. Cette préoccupation est également prise en compte dans le choix du condensateur du circuit intermédiaire qui est illustré dans la figure 5.
L’encombrement du condensateur est l’un des principaux obstacles à l’augmentation de la densité de puissance. Six condensateurs cylindriques de 100 µF disponibles sur le marché seraient normalement utilisés pour atteindre la valeur nominale du courant d’ondulation, occupant un espace de 451 cm2 et nécessitant un jeu de barres distinct.
Wolfspeed a utilisé un condensateur de liaison CC (figure 5) conçu sur mesure avec une empreinte compacte de 234 cm seulement2. Il comporte une barre intégrée laminée connectée aux bornes d’alimentation des modules de puissance XM3 des deux côtés de la plaque froide, ce qui réduit l’inductance parasite dans la boucle d’alimentation et garantit un chemin de courant équilibré pour les deux ensembles de modules. Le nombre de composants est également réduit grâce à l’élimination des jeux de barre et du matériel séparés.
Le condensateur personnalisé est de 600 µF à 900 V avec une tension nominale de crête de 1 200 V. Comme le condensateur et l’inductance parasite du jeu de barres intégré sont essentiels pour réduire les pointes de tension sous les taux élevés de di/dt courants dans les onduleurs à commutation rapide en carbure de silicium (SiC), la conception a été validée avec un analyseur d’impédance qui a mesuré une inductance série équivalente de 13 nH aux terminaux. Combinée à l’inductance de 6,7 nH du module XM3, l’inductance totale de la boucle de puissance n’est que de 20 nH, ce qui permet d’utiliser des commutations de vitesse plus rapides.
Le contrôleur
Le choix du processeur pour la carte de contrôleur de ce système devait être basé sur les considérations suivantes :
- Il doit disposer d’une puissance de traitement suffisante pour échantillonner toutes les entrées et prendre des décisions de contrôle.
- Il doit disposer d’un nombre d’ADC suffisamment élevé pour permettre de mesurer tous les états requis du système en vue d’un contrôle et d’une surveillance appropriés.
- Il doit disposer d’interruptions matérielles rapides pour répondre aux conditions d’erreur.
- Il doit prendre en charge les communications basées sur des normes, essentielles à son bon fonctionnement.
La carte de contrôleur du système utilise donc un DSP à double cœur, à virgule flottante, 200 MHz, 32 bits de Texas Instruments. Le DSP dispose de suffisamment d’entrées ADC pour mesurer le courant, la tension et la température et offre un support de communication, y compris un CAN isolé.
Capteurs de courant
Le double onduleur utilise six capteurs de courant aux bornes de sortie. Avec un tel nombre de capteurs dans le système, toute réduction de la taille des modules de capteurs choisis devient rapidement significative. Bien que les modules de capteurs de courant COTS soient facilement disponibles, ils peuvent être encombrants. De plus, certains modules de capteurs trois-en-un disponibles sur le marché ajoutent des contraintes à la géométrie de la barre.
Pour le système CRD600DA12E-XM3, Wolfspeed a choisi le capteur à effet Hall Melexis MLX91208 DC à 250 kHz pour fournir un signal de sortie analogique à grande vitesse proportionnel à la densité de flux externe appliquée horizontalement, avec un temps de réponse aussi bas que 3 µs.
Le capteur est conditionné dans un SOIC à huit broches et est suffisamment petit pour être monté sur un circuit imprimé compact qui peut ensuite être fixé directement à un jeu de barres de sortie. La flexibilité du montage sur circuit imprimé permet de simplifier les barres de sortie.
En outre, le MLX91208 utilise un magnéto-concentrateur intégré (IMC) déposé sur la matrice CMOS, ce qui élimine la nécessité d’un grand noyau ferromagnétique (figure 6). Cet assemblage occupe 91,6 ml contre 800 ml pour un autre assemblage de capteurs utilisé dans l’industrie automobile.
Figure 6 : le capteur Melexis IMC-Hall évite les noyaux ferromagnétiques encombrants pour réduire considérablement le volume.
Les taux élevés de dV/dt typiques des onduleurs en carbure de silicium (SiC) peuvent créer du bruit sur les signaux sensibles à basse tension, tels que ceux des capteurs de courant. La proximité du capteur de courant avec les nœuds de commutation les rend encore plus vulnérables. Il en va de même pour le câblage entre le capteur et le contrôleur, qui peut capter le bruit lorsqu’il est acheminé dans le système.
Le capteur choisi par Wolfspeed ne nécessite qu’un blindage magnétique laminé en forme de U pour protéger contre les champs externes et homogénéiser le champ. Une couche de masse dans le circuit imprimé bloque le couplage capacitif entre le jeu de barres et le capteur. L’utilisation de la signalisation différentielle réduit considérablement l’impact du bruit rayonné provenant de la commutation. En outre, l’utilisation d’un câblage CAT6 blindé à paires torsadées entre les cartes des capteurs et le contrôleur garantit que tout bruit est en mode commun sur les deux signaux de la paire différentielle.
Test des performances
Un test de charge inductive à double impulsion a été réalisé dans des conditions de commutation agressives en utilisant une faible résistance de grille pour valider l’ensemble de la boucle de puissance. Les formes d’ondes de charge à courant constant ont montré une énergie de commutation au démarrage de 23,1 mJ à 800 V et 600 A, avec un dépassement du courant de crête de 113 A.
L’énergie de commutation à l’arrêt était de 30,1 mJ. La marge de la tension de la barre pour la filière était de 80 V, ce qui correspond à une surcharge de 2 fois supérieures par rapport à la valeur nominale du module.
Ensuite, les pertes de commutation par module ont été calculées à partir de l’énergie d’allumage connue de 12,2 mJ et de l’énergie d’extinction de 12 mJ à la condition nominale de 300 A. En utilisant la formule pour la perte de puissance de commutation (PSW),
et en introduisant le EON et une fréquence de commutation (fSW) de 10 kHz,
cette perte est 3 fois inférieure à celle d’un IGBT Si comparable (HybridPack 1 200 V, 380 A nominal), le carbure de silicium (SiC) présentant le grand avantage d’une énergie de récupération inverse extrêmement faible (ERR).
Figure 7 : la disposition des jeux de barres de sortie offre une grande souplesse pour les applications nécessitant des sorties à courant plus élevé à partir d’un seul onduleur.
La conception a également été validée dans des conditions d’application à l’aide d’un essai de charge de recirculation triphasée.
L’agencement flexible des bornes de sortie facilite la mise en place des tests : les six sorties peuvent être utilisées soit comme deux onduleurs triphasés indépendants délivrant 375 ARMS chacun, soit, avec l’ajout d’un simple jeu de barres et la mise en parallèle des phases, comme un seul onduleur triphasé capable de délivrer 750 ARMS (figure 7).
Pour le test, un seul onduleur a été utilisé, les sorties AC U et X étant combinées pour former la phase A, V et Y la phase B, et W et Z la phase C. Trois inducteurs de charge de 125-µH ont été connectés entre l’une des bornes de sortie de l’onduleur et le point médian d’une grande batterie de condensateurs, 2,2 mF par moitié, d’une capacité nominale de 1 100 V.
Cela permet de réaliser des tests de haute puissance avec seulement quelques kilowatts de puissance fournie et avec la source de tension continue ne fournissant que les pertes du système. L’énergie est transférée d’une moitié des condensateurs à l’autre moitié par l’intermédiaire des inducteurs au cours de chaque cycle de commutation, et le sens du transfert d’énergie est inversé sur un cycle de la fréquence fondamentale.
Après un test de cinq minutes à une tension de barre de 800 V, le boîtier du condensateur a atteint 13 °C au-dessus de la température ambiante, tandis que le point chaud du circuit d’attaque de la grille a mesuré 40 °C au-dessus de la température ambiante. Pour une fréquence de commutation de 10 kHz et une fréquence fondamentale de 300 Hz, le courant de sortie parallèle efficace était de 750 A, ce qui équivaut à une puissance de sortie de 624 kW. L’ondulation du courant avec l’inducteur de charge choisi était de 160 A à 10 kHz, tandis que le courant combiné de pointe atteignait 1 200 A, y compris l’ondulation du courant.
Figure 8 : pertes de puissance de l’onduleur (à gauche) et rendement (à droite) à 800 V, 10 kHz, liquide de refroidissement à 25 °C
L’énergie de commutation à 10 kHz, 375 A était de 31 mJ. Pour des pertes totales de 5,53 kW ou 460 W par interrupteur, les pertes de commutation étaient de 1,8 kW. Il en résulte un rendement supérieur à 99 % pour l’onduleur jusqu’à 624 kW (figure 8).
Répondant aux cinq considérations de conception clés énoncées précédemment, le nouveau modèle de référence de l’onduleur double triphasé CRD600DA12E-XM3 utilise les modules de puissance CAB450M12XM3 pour atteindre une puissance de sortie de crête de 624 kW et un courant nominal de 375 Arms par phase ou 750 Arms mis en parallèle.
Conclusion
Répondant aux cinq considérations de conception clés énoncées précédemment, le nouveau modèle de référence de l’onduleur double triphasé CRD600DA12E-XM3 utilise les modules de puissance CAB450M12XM3 pour atteindre une puissance de sortie de crête de 624 kW et un courant nominal de 375 Arms par phase ou 750 Arms mis en parallèle.
Dans le boîtier entièrement métallique de 204 × 267,5 × 157,5 mm (illustré à la figure 1), cette solution pèse 9,7 kg et n’occupe que 8,6 l de volume pour atteindre la densité de puissance exceptionnellement élevée de 72,5 kW/L. Ce résultat est plus de deux fois supérieur à celui obtenu par le précédent modèle de référence en carbure de silicium (SiC) de 300 kW et 3,6 fois supérieur à ce qui est possible avec un onduleur équivalent à base d’IGBT (Table 1).
Pour en savoir plus sur le modèle de référence du double onduleur triphasé CRD600DA12E-XM3, le module de puissance CAB450M12XM3 et le pilote de grille CGD12HBXMP, contactez l’équipe Power de Wolfspeed.