Инверторы для электротранспорта с максимально высоким КПД

Новые модули IGBT Infineon HybridPACK Drive отличаются компактной конструкцией и высокой эффективностью — а именно эти критерии считаются основными для применения в современных электромобилях. Модель FS820R08A6P2B, рассчитанная на ток до 820 А и блокирующее напряжение 750 В, имеет радиатор охлаждения типа pin-fin (игольчатый радиатор охлаждения). Эти компоненты предназначены для использования в приводах с выходной мощностью до 150 кВт. Модуль FS660R08A6P2FB с плоской базовой платой может быть рассмотрен в качестве альтернативы, если требуется меньшая мощность. Он имеет такие же электрические параметры, но его максимальный ток составляет 660 А. Семейство компонентов HybridPACK Drive обеспечивает хорошее масштабирование для различных диапазонов мощности в электротранспортных и промышленных применениях.

Также уже доступны другие серийные конструктивы, предназначенные для сварного соединения нагрузочных терминалов (FS820R08A6P2), и конструктивы с длинными моторными выводами (FS820R08A6P2LB), обеспечивающими простоту подключения датчиков тока.

Все модули серии R08A6P2 созданы на основе последнего поколения чипов EDT2-IGBT от Infineon, предназначенных для работы при температурах барьерного слоя до +175 °C в режиме переключения. Новые кристаллы устойчивы к коротким замыканиям и даже в самых суровых климатических условиях обеспечивают очень высокий уровень надежности. В реальных режимах применения компоненты серии R08A6P2 достигают КПД до 98% (рис. 1). Они оптимизированы для частот переключения в диапазоне 6–10 кГц.

Рис. 1. Потери конвертера, измеренные с помощью прототипа, на частоте переключения 8 кГц. КПД в диапазоне мощности 10–150 кВт превышает 98% (рабочее напряжение 450 В, cos j = 0,85). Эти результаты позволяют улучшать показатели гибридных и электрических транспортных средств

Благодаря большому расстоянию между точками подключения, достигается хорошая изоляция и минимальный токи утечки, таким образом, модуль также подходит для работы с высокими напряжениями, что планируется в будущем. На рис. 2 показан законченный инвертор, содержащий блок HybridPACK на охлаждающей плите, контроллер и плату драйвера, а также блок конденсаторов EPCOS PCC в DC-цепи.

Рис. 2. Законченный инвертор привода с выходной мощностью до 150 кВт. Наиболее важный пассивный элемент — блок конденсатора DC-шины EPCOS PCC. Эта конструкция доступна в качестве «оценочного комплекта»

Решение для конденсаторов DC-шины

Для этой разработки рассматривались два типа конденсаторов EPCOS PCC, которые также доступны и для других моделей HybridPACK. Конденсаторный блок B25655P5507K051 емкостью 500 мкФ, отличающийся наборной конструкцией (стэк-обмоткой), рассчитан на напряжение 500 В DC, он может выдерживать длительные токи до 160 А. Большим преимуществом технологии наборных обмоток является ее высокий коэффициент заполнений, приближающийся к 1. Размеры конденсатора 154×72×50 мм. Другой блок (B25655P5407K1512) создан с применением недорогой плоской конструкции обмотки. Из-за несколько меньшего коэффициента заполнения он имеет емкость 400 мкФ при длительном токе до 140 А (при тех же габаритах).

В ходе проектирования очень важно убедиться в том, что конденсатор в цепи постоянного тока достаточно эффективно охлаждается при максимальном токе нагрузки. Низкие значения ESL и ESR у конденсаторов DC-шины имеют решающее значение для успешного решения этой задачи. Только при достаточно малой величине ESL можно устранить или хотя бы минимизировать скачки напряжения и паразитные осцилляции при переключении IGBT. Важной особенностью компонентов РСС является низкое значение ESL (около 15 нГн). Величина ESR, ответственная за потери, составляет всего 0,5 или 0,7 мОм соответственно. Это достигается за счет применения большой шины с шестью выводами, полностью совпадающими с терминалами модуля HybridPACK (рис. 3). Путем модификации конструкции шины в будущем могут быть достигнуты значения менее 10 нГн и 0,5 мОм.

Рис. 3. Шина EPCOS PCC имеет шесть больших выводов, что обеспечивает минимизацию ESL и ESR

Производственные линии, на которых изготавливаются упомянутые выше конденсаторы, соответствуют требованиям автомобильной промышленности, что необходимо для достижения наивысшей надежности. Одним из особо важных факторов является сварка внутренней шины, поскольку ее качество во многом определяет нагрузочную способность и потери мощности. Помимо высокой надежности, компоненты EPCOS PCC также отличаются отличными характеристиками EMC, обеспечивающими эффективное подавление шумов в FM-диапазоне около 100 МГц.

Гальваническая изоляция — важное требование автомобильной электроники

Задачей платы управления является формирование соответствующих сигналов коммутации затворов трех IGBT верхнего плеча и трех IGBT нижнего плеча. При этом необходимо обеспечить достаточную гальваническую развязку между схемой драйвера и транзисторами для предотвращения диэлектрического пробоя цепи питания на драйвер в случае неисправности. Важным компонентом для решения этой задачи является изолирующий трансформатор схемы управления. На рис. 4 показана схема, используемая для питания изолированных драйверов IGBT.

Рис. 4. Целью применения трансформатора в драйвере затворов является гальваническая изоляция высоковольтных и низковольтных цепей

В эталонной конструкции использовано шесть трансформаторов EPCOS B78307A2276A003 (P100403) в драйверах затворов. Они обеспечивают необходимое высокое напряжение изоляции 2,5 кВ (1 мин, 50 Гц). Коэффициент трансформации составляет 1:1,08, индуктивность — 100 мкГн. Несмотря на высокую диэлектрическую прочность, габариты трансформатора всего 11,7×13,5×11,35 мм. Длина пути тока утечки между первичной и вторичной обмоткой — 6 мм, что позволяет использовать трансформатор в преобразователях с продолжительным рабочим напряжением 500 В.

Помехоустойчивая логика

Плата контроллера осуществляет управление всем инвертором. Ее ядром является 32-разрядный микроконтроллер TC277 автомобильной серии AURIX. Чтобы обеспечить безошибочную работу логики, в интерфейсы TDK ACT45B-101-2P-TL003 CANbus встроены синфазные фильтрующие дроссели. На частоте 10 МГц они обладают синфазным сопротивлением 5,8 кОм, гарантируя помехоустойчивую передачу данных. Дроссели, квалифицированные согласно AEC-Q200, имеют размеры всего 4,5×3,2×2,8 мм, что делает их одними из самых компактных в мире. Чип-индукторы TDK MMZ1608R600AT обеспечивают дополнительное подавление шумов в сигнальных кабелях.

* * *
Учитывая вышесказанное, можно утверждать, что при тесном сотрудничестве ТDК и Infineon Technologies с использованием компонентов EPCOS удалось создать высокоэффективные (с КПД до 98%) инверторы, удовлетворяющие требованиям, предъявляемым в области электротранспорта.
Широкий модельный ряд, многообразие форм-факторов, различные диапазоны мощностей, а также устойчивость при работе в самых жестких условиях окружающей среды — необходимые характеристики, которые должны обеспечить достаточный спрос на модули для промышленных применений.