Rządy na całym świecie chcą zakończyć sprzedaż samochodów z silnikiem benzynowym i silnikiem Diesla w najbliższych latach, niektóre już w 2030 r. W związku z tym główny specjalista ds. badań rynkowych oczekuje, że przychody na rynku pojazdów elektrycznych wykażą imponującą średnią roczną stopę wzrostu (CAGR) na poziomie 17,02% w ciągu najbliższych czterech lat, co zaowocuje przewidywaną wielkością rynku w wysokości 858 mld USD do 2027 r.
W obliczu tych prognoz, nie tylko przedsiębiorstwa motoryzacyjne, ale także różne branże transportowe, są, co zrozumiałe, zajęte wdrażaniem największych zmian operacyjnych od dziesięcioleci, co wiąże się z szeregiem wyzwań związanych z projektowaniem elektrycznych mechanizmów napędowych. Dla większości inżynierów motoryzacyjnych technologie elektronicznego mechanizmu napędowego stanowią nowe terytorium, które wymaga znacznych zasobów i czasu na stworzenie bezpiecznych i wydajnych rozwiązań. To właśnie tu węglik krzemu (SiC) może przynieść znaczne korzyści.
Ten oczywisty problem dla technologii pojazdów elektrycznych, o którym się nie mówi, budzi niepokój. Podczas gdy duży nacisk kładzie się tutaj na pojemność akumulatorów, układy elektroniczne mechanizmu napędowego i układu motoryzacyjnego muszą również okazać się wysoce wydajne i zdolne do uzyskania wysokiej optymalnej mocy w wymagających warunkach. Dlatego też SiC przyciąga uwagę, co potwierdziło kilka wiodących organizacji. Przykładowo, brytyjska organizacja Advanced Propulsion Centre, (Centrum Zaawansowanych Napędów) twierdzi, że przejście z elektroniki energetycznej opartej na silikonie na elektronikę elektroenergetyczną opartą na węgliku krzemu może przynieść wzrost wydajności o około 10%.
Atrybuty SiC umożliwiają również projektantom tworzenie systemów elektroenergetycznych przy znacznym zmniejszeniu rozmiaru, masy i współczynnika kształtu. Pomimo wszystkich korzyści, inżynierowie powinni zauważyć, że projektowanie z użyciem SiC różni się od konwencjonalnych silikonowych tranzystorów MOSFET lub IGBT. Większość niuansów wiąże się z zastosowaniem specjalnych technologii, które ułatwiają bezpieczną pracę przy szybkim przełączaniu.
Aby obniżyć koszty zasobów inżynieryjnych i skrócić czas wprowadzania na rynek, potrzebne są w pełni zintegrowane rozwiązania. Platforma rozwoju falowników trakcyjnych SiC firmy CISSOID spełnia to zapotrzebowanie, wspierając projektowanie układów napędowych o mocy do 850 V/350 kW. Głównymi elementami tego projektu referencyjnego są: 3-fazowy inteligentny moduł zasilania 1200 V (IPM) z silnym i odpornym na temperaturę sterownikiem bramki w pełni zoptymalizowanym pod kątem zastosowania SiC; płyta sterująca silnika elektrycznego i konfigurowalne oprogramowanie; czujniki prądu stałego i fazowego, kompaktowa chłodnica cieczy; specjalnie zaprojektowany kondensator łącza prądu stałego o wysokiej gęstości energii i filtrowanie EMI.
Każdy z tych wbudowanych elementów ma do odegrania kluczową rolę w zapewnieniu wszechstronnych możliwości i modułowości platformy.
3-fazowy, chłodzony cieczą Inteligentny moduł zasilania (IPM) MOFSET 1200 V z węglika krzemu (SiC) firmy CISSOID (Rysunek 2) zapewnia dostęp do pełnych zalet technologii SiC, pomagając programistom osiągnąć wysoką gęstość energii dzięki niskim stratom przełączania i pracy w wysokiej temperaturze. Dostosowując modułowość do zmieniających się wymagań dotyczących napięcia/prądu, oferta Inteligentnego modułu zasilania (IPM) z węglika krzemu (SiC) firmy CISSOID składa się z modułów o maksymalnej obciążalności prądem ciągłym od 340 A do 550 A. Składający się z trzech półmostków MOSFET z węglika krzemu, IPM zmniejsza straty przełączania o co najmniej trzy współczynniki w porównaniu z najnowocześniejszymi modułami zasilającymi IGBT.
Aby w pełni wykorzystać tranzystory MOSFET z węglika krzemu charakteryzujące się szybkim przełączaniem i niewielkimi stratami, inżynierowie potrzebują szybkiego, wydajnego i niezawodnego sterownika bramki. Integracja sterownika bramki z modułem zasilania zapewnia bezpośredni dostęp do w pełni zatwierdzonego i zoptymalizowanego rozwiązania w zakresie prędkości przełączania i strat, odporności na zmianę prądu w czasie (di/dt) oraz zmianę napięcia w czasie (dV/dt) oraz ochrony stopni zasilania.
Zoptymalizowany sterownik bramki CISSOID zapewnia wysoki prąd szczytowy, ponad 10 A, zapewniając jednocześnie zdolność operacyjną do temperatury otoczenia na poziomnie 125°C. Podsumowując, zoptymalizowany sterownik bramki pomaga zminimalizować liczbę iteracji wymaganych do zapewnienia doskonałej wydajności modułu i zarządzania temperaturą.
Zdolność modułów zasilania z węglika krzemu do szybszego przełączania i pracy na wyższych częstotliwościach sprawia, że niezbędny jest dostęp do technologii sterownika, która umożliwia szybsze uruchamianie algorytmów w czasie rzeczywistym.
Bazując na jednostce sterującej OLEA® T222 FPCU firmy Silicon Mobility, firma CISSOID opracowała płytę, która zapewnia przetwarzanie, sterowanie i bezpieczeństwo funkcjonalne w czasie rzeczywistym (spełniającą wymagania najwyższej klasyfikacji poziomu bezpieczeństwa — ASIL-D, zgodnie z normą ISO 26262) do zastosowań związanych z motoryzacją. Sprzęt sterujący i oprogramowanie sterujące skutecznie przetwarzają sygnały z czujników położenia silnika, prądu i temperatury. W szczególności integracja mechaniczna i elektryczna pomiędzy płytą sterującą a inteligentnymi modułami zasilania usuwa kolejną przeszkodę ze ścieżki dewelopera.
Platforma integruje się z oprogramowaniem sterującym FALOWNIKA OLEA APP firmy Silicon Mobility (Rysunek 3), natomiast inżynierowie mogą korzystać z narzędzi projektowych OLEA COMPOSER w celu skrócenia czasu potrzebnego na opracowanie i zoptymalizowanie oprogramowania sterującego silnikami.
Istnieją jeszcze dwa punkty obliczeniowe, na które należy zwrócić uwagę. Po pierwsze, CISSOID oferuje wydrukowany w formacie 3D projekt referencyjny chłodnicy do chłodzenia i szybkiej oceny modułu zasilania (Rysunek 4). Po drugie, firma współpracowała z NAC Semi and Advanced Conversion nad stworzeniem kondensatora łącza prądu stałego o wysokiej gęstości energii i bardzo niskiej indukcyjności oraz zastępczej rezystancji szeregowej (ESR), który zapewnia programistom pełną swobodę korzystania z możliwości szybkiego przełączania tranzystorów MOSFET z węglika krzemu.
Ostatecznie unikalna platforma modułowa sprzętu i oprogramowania CISSOID umożliwia opracowanie bardzo kompaktowych, wydajnych i bezpiecznych z punktu widzenia krytyczności falowników trakcyjnych opartych na węgliku krzemu (SiC) lub aktywnych prostowników w ciągu zaledwie kilku miesięcy. W porównaniu z tradycyjnymi ramami czasowymi producenta OEM może to skrócić okres potrzebny na rozwój falowników SiC o rok lub dwa.
Pierre Delatte, CTO, Cissoid
