Les ingénieurs ont besoin de toute l'aide possible pour développer rapidement de nouveaux entraînements électriques. Les différences vont bien au-delà de leurs caractéristiques physiques, telles que les limitations de taille, de forme et de poids. Les exigences fonctionnelles et de sécurité électrique, ainsi que les conditions environnementales, dépendent fortement de l'application et de la situation géographique. De plus, la concurrence entre les fabricants impose des délais de commercialisation très courts.

En termes de performances et de fiabilité, le carbure de silicium (SiC) est la meilleure technologie de semi-conducteurs de puissance. Les préoccupations liées à l'autonomie ont incité le marché automobile à délaisser le silicium au profit du SiC, qui offre une meilleure efficacité énergétique pour des véhicules tels que les bus circulant sur des itinéraires réguliers et les poids lourds parcourant des distances relativement courtes. Pour ces applications, la capacité du SiC à fonctionner à haute tension permet une charge plus rapide, tandis que sa capacité à fonctionner à haute température contribue à optimiser la fiabilité. De plus, les modules nécessitent moins de composants SiC et les MOSFET SiC peuvent être plus petits, en termes de tension de claquage, que leurs homologues en silicium. Ceci ouvre la voie à une réduction de la taille des modules.

Cependant, les dispositifs de puissance en SiC ne peuvent être directement remplacés par des MOSFET ou des IGBT en silicium. La mise en place d'une commande de grille adéquate pour garantir des transmissions rapides et fluides lors de commutations à haute fréquence est complexe. De plus, d'autres défis subsistent, tels que l'intégration des composants matériels, notamment l'onduleur et le module de puissance intelligent, ainsi que la configuration et le calibrage du logiciel de commande du moteur.

Développement accéléré :
CISSOID a développé une plateforme d’onduleur de traction SiC et une conception de référence afin de surmonter ces difficultés et d’accélérer la commercialisation de modules de puissance SiC robustes et fiables (Figure 1). Les fabricants de systèmes d’entraînement peuvent les utiliser pour concevoir des systèmes capables de fonctionner avec des tensions de batterie allant jusqu’à 850 V. Le matériel est modulaire et adaptable à des conceptions de différents niveaux de puissance.

Figure 1. Conception de référence de l'onduleur SiC haute tension CISSOID.

La conception de référence traite des aspects de l'onduleur qui sont complexes et généralement longs à mettre en œuvre. Ses principaux composants comprennent un module de puissance intelligent triphasé (IPM) de 1 200 V intégrant un circuit de commande de grille optimisé pour les applications SiC et conçu pour résister aux hautes températures (figure 2). Ce circuit fournit un courant maximal supérieur à 10 A et peut fonctionner à des températures ambiantes allant jusqu'à 125 °C.

Figure 2. Le module de puissance intelligent (IPM) est constitué d'un étage de puissance SiC avec refroidissement par ailettes et du pilote de grille installé sur le dessus [2].

L'intégration du circuit de commande de grille SiC au module de puissance permet aux utilisateurs de démarrer leurs projets avec une solution validée et optimisée pour des vitesses de commutation rapides et de faibles pertes. Insensible aux variations importantes de courant (dI/dt et dV/dt), elle intègre des protections robustes pour les étages de puissance. De ce fait, le nombre d'itérations nécessaires à l'optimisation des performances du module et à une gestion thermique adéquate est considérablement réduit. La conception matérielle de référence comprend également des capteurs de courant continu et de phase, un filtrage EMI, un petit système de refroidissement liquide et un condensateur de liaison CC haute densité. Ces condensateurs, spécialement conçus pour la plateforme d'onduleur, offrent une large plage de tension et de courant.

Contrôle et étalonnage logiciels :
Pour compléter la conception de référence, une carte de commande de moteur électrique est fournie, dotée d’un processeur et d’un logiciel dédiés à l’application. Ces deux éléments sont pré-certifiés conformes à la norme ISO 26262, niveau ASIL D pour la sécurité fonctionnelle. Le logiciel de commande du moteur permet de nombreux réglages sans incidence sur la certification de sécurité fonctionnelle, offrant ainsi une grande flexibilité pour optimiser les performances du moteur en fonction des exigences de l’application de l’utilisateur final. Les utilisateurs peuvent également exécuter leur propre logiciel d’application.

La carte de commande est basée sur l'unité de commande programmable sur site (FPCU) Silicon Mobility OLEA® T222. Cette conception de référence combine la flexibilité logicielle d'un processeur conventionnel avec l'accélération matérielle, garantissant ainsi des performances en temps réel jusqu'à la vitesse maximale souhaitée du moteur. L'intégration de cette carte de commande permet également aux utilisateurs d'éviter les problèmes d'intégration mécanique et électrique généralement rencontrés lors du raccordement de la carte de commande au module de puissance intelligent.

OLEA® APP INVERTER est un logiciel de commande flexible et entièrement personnalisable (Figure 3) qui s'adapte à tout type d'entraînement électrique et à toute plage de puissance grâce à un ensemble de paramètres de configuration et d'étalonnage modifiables hors ligne ou en temps réel. Le logiciel intègre également un environnement de débogage et d'étalonnage doté d'une interface graphique.

Figure 3. Le logiciel de commande OLEA® APP INVERTER offre de nombreuses fonctions pour réguler et optimiser le fonctionnement du moteur.

Grâce à OLEA® COMPOSER, les développeurs peuvent réduire le temps nécessaire à l'optimisation des logiciels de commande de moteurs (voir encadré pour plus d'informations sur le processus en quatre étapes permettant d'y parvenir).

Performances de l'onduleur SiC :
Après configuration des paramètres, le moteur peut être testé et le rendement de l'ensemble onduleur-moteur déterminé. Les figures 4a et 4b comparent les performances de l'onduleur à base de SiC avec celles d'un onduleur à base d'IGBT testé dans des conditions réelles similaires.

Figure 4a. Performances de l'onduleur SiC jusqu'à 260 kW à 13 500 tr/min montrant l'efficacité sur toute la plage de vitesse et de couple.

Figure 4b. L'onduleur à base de silicium, jusqu'à 120 kW à 11 500 tr/min, présente un faible couple (voir les points de croisement) dans des conditions comparables.
Ces graphiques de performance montrent comment le rendement supérieur du variateur à base de SiC garantit une meilleure expérience utilisateur. Avec l'augmentation de la vitesse et de la charge, le couple du moteur est considérablement réduit en raison de son faible rendement lorsqu'il fonctionne avec un variateur à base d'IGBT ; la chaleur générée par les pertes d'énergie au sein même du composant ne peut être dissipée sans un refroidissement nettement supérieur. En revanche, le variateur à base de SiC à haut rendement peut atteindre le couple maximal sur une plage de vitesse et de charge beaucoup plus large.

Configuration et étalonnage du variateur :
La suite logicielle OLEA® COMPOSER permet de configurer le moteur selon les spécifications du client et facilite l'étalonnage de paramètres tels que la tension, la puissance nominale, la vitesse et le couple afin d'obtenir une plage de fonctionnement optimale. Une fois cette opération terminée, le rendement du convertisseur moteur peut être défini.
Le réglage et l'étalonnage s'effectuent en quatre étapes :
Étape 1 : Configuration des paramètres logiciels
• Configurez le logiciel OLEA® APP INVERTER en fonction des paramètres du moteur électrique.
Étape 2 : Réglage matériel du convertisseur
• Réglez le moteur électrique, y compris les composants tels que le résolveur et les capteurs de température. Connectez l'unité de commande électronique (ECU) du véhicule électrique et les interfaces du banc d'essai (par exemple, CAN, sécurité), l'alimentation et le refroidissement.
• Vérifiez les interfaces de sécurité du convertisseur avec le banc d'essai.
Étape 3 : Étalonnage du système de commande du moteur
• Mode boucle ouverte : Étalonnez les chaînes de conditionnement des signaux des capteurs de courant et de tension avec l'OLEA® T222 FPCU.
• Mode boucle ouverte partielle : Étalonnage du décalage du capteur de position, qu'il s'agisse de résolveurs ou de capteurs inductifs.
• Mode boucle fermée de courant : réglage par contrôleur PI des vecteurs ID et IQ pour la commande vectorielle (FOC).
• Mode de contrôle du couple : optimisation de la boucle de contrôle du couple pour améliorer la précision et la réponse dynamique.
• Mode boucle fermée de vitesse : étalonnage du régulateur de vitesse.
Étape 4 : Optimisation avancée du système
• Sélection de la fréquence de commutation : réglage de la fréquence de commutation en fonction de la vitesse et des courants de phase.
• Compensation du temps mort : réglage de l’algorithme de compensation du temps mort pour minimiser les harmoniques des courants de phase.
• Réduction du flux : optimisation des points de consigne ID/IQ pour un fonctionnement efficace dans la zone de couple maximal par tension (MTPV).
• SVPWM/DPWM : définition du seuil entre la modulation de largeur d’impulsion vectorielle spatiale (SVPWM) et la modulation de largeur d’impulsion discontinue (DPWM) pour une meilleure efficacité à haute vitesse.
Cette méthode permet d’ajuster la conception de référence pour atteindre un rendement supérieur à 99 % avec un bus de 700 V jusqu’à 4 000 tr/min, comme illustré ci-dessous :

En conclusion
, les bus, les camions et les véhicules agricoles représentent une opportunité majeure pour l'électrification et la réduction des émissions polluantes. La technologie de puissance à base de carbure de silicium (SiC) contribue à optimiser la fiabilité et la durée de vie des véhicules, tout en offrant un rendement supérieur aux IGBT ou MOSFET en silicium. La complexité de la conception SiC et la nécessité d'accélérer la mise sur le marché exigent une plateforme de développement flexible permettant aux concepteurs d'atteindre les objectifs fixés pour différents types et catégories de véhicules. Une conception de référence complète, qui relève les principaux défis de la conception SiC tout en offrant la flexibilité et l'évolutivité nécessaires pour s'adapter aux différentes puissances et tensions de batterie des véhicules de toutes tailles, minimise efficacement les risques de conception et accélère la mise sur le marché.

Références
[1] Source : NESTE : Vers une mobilité durable / Avril 2023 : https://journeytozerostories.neste.com/transportation/towards-sustainable-mobility#885e75ed
[2] Modules de puissance intelligents SiC CISSOID : https://www.cissoid.com/sic-power-modules/

À propos de Cissiod - www.cissoid.comCISSOID
est un leader des solutions de semi-conducteurs de puissance, fournissant des modules de commutation de puissance multiphasés à courant élevé, des systèmes de commande de moteurs et des logiciels pour une large gamme de puissances. Nos solutions s'étendent des systèmes sur puce aux conceptions de référence d'onduleurs complets à base de carbure de silicium (SiC) et de nitrure de gallium (GaN) pour un nombre croissant d'applications dans les domaines de l'électromobilité et de la haute puissance. Notre leadership et notre expertise dans les semi-conducteurs pour les très hautes températures, les solutions haute fiabilité et le conditionnement nous permettent de relever les défis posés par la densité de puissance toujours croissante sur divers marchés.

Auteur : Pierre Delatte, CTO, CISSOID