Инженерам необходима вся возможная помощь для быстрой разработки новых электроприводов. Различия выходят далеко за рамки физических характеристик, таких как размер, форма и ограничения по весу. Требования к функциональной и электрической безопасности, а также условия окружающей среды в значительной степени зависят от области применения и географического положения. Кроме того, конкуренция между производителями требует скорейшего вывода продукции на рынок.

С точки зрения производительности и надежности, карбид кремния (SiC) является лучшей технологией силовых полупроводников. Опасения по поводу дальности хода подтолкнули автомобильный рынок к отказу от кремния в пользу SiC, который обеспечивает большую энергоэффективность в таких транспортных средствах, как автобусы, движущиеся по распространенным маршрутам, и тяжелые транспортные средства, преодолевающие относительно короткие расстояния. Для этих применений способность SiC работать при высоких напряжениях обеспечивает более быструю зарядку, а его способность работать при высоких температурах способствует максимальной надежности. Кроме того, модули требуют меньшего количества SiC-устройств, а SiC MOSFET-транзисторы могут быть меньше по напряжению пробоя, чем их кремниевые аналоги. Это открывает возможность уменьшения размеров модулей.

Однако силовые устройства на основе SiC нельзя напрямую заменить кремниевыми MOSFET или IGBT. Обеспечение надлежащего управления затвором для быстрой и плавной передачи данных при высокочастотном переключении — непростая задача. Кроме того, существуют и другие проблемы, такие как интеграция аппаратных компонентов, особенно инвертора и интеллектуального силового модуля, а также настройка и калибровка программного обеспечения управления двигателем.

Ускоренное развитие:
CISSOID разработала платформу тягового инвертора на основе SiC и эталонный проект для преодоления этих проблем и ускорения коммерциализации надежных силовых модулей на основе SiC (рис. 1). Производители приводов могут использовать их для создания систем, способных работать с напряжением батареи до 850 В. Аппаратное обеспечение является модульным и адаптируется к конструкциям с различными уровнями мощности.

Рисунок 1. Эталонная конструкция высоковольтного SiC-инвертора CISSOID.

В эталонном проекте учтены сложные и обычно трудоемкие аспекты инвертора. Его основные компоненты включают в себя трехфазный интеллектуальный силовой модуль (IPM) на 1200 В, интегрированный с драйвером затвора, оптимизированным для применения в SiC и рассчитанным на работу при высоких температурах (рис. 2). Драйвер обеспечивает максимальный ток, превышающий 10 А, и может работать при температуре окружающей среды до 125 °C.

Рисунок 2. Интеллектуальный силовой модуль (ИПМ) состоит из силового каскада на основе SiC с охлаждением ребрами и драйвера затвора, установленного сверху [2].

Благодаря интеграции SiC-драйвера затвора с силовым модулем, пользователи могут начинать свои проекты с уже проверенного и оптимизированного решения, обеспечивающего высокую скорость переключения и низкие потери. Оно невосприимчиво к воздействию высоких уровней dI/dt и dV/dt и включает в себя надежную защиту силовых каскадов. В результате значительно сокращается количество итераций, необходимых для точной настройки производительности модуля и обеспечения надлежащего управления тепловым режимом. В эталонный проект также входят датчики постоянного и фазного тока, фильтр электромагнитных помех, небольшой жидкостной охладитель и высокоплотный конденсатор звена постоянного тока. Эти конденсаторы были специально разработаны для инверторной платформы и обеспечивают широкий диапазон напряжений и токов.

Программное управление и калибровка:
Для завершения типовой конструкции также предусмотрена плата управления электродвигателем со специализированным процессором и программным обеспечением, оба компонента предварительно сертифицированы в соответствии со стандартом ISO 26262, уровень функциональной безопасности ASIL D. Программное обеспечение управления двигателем позволяет выполнять многочисленные настройки без ущерба для сертификации функциональной безопасности, обеспечивая тем самым гибкость в оптимизации характеристик двигателя в соответствии с требованиями конечного пользователя. Пользователи могут запускать собственное прикладное программное обеспечение поверх этой платы.

Плата управления основана на программируемом блоке управления (FPCU) Silicon Mobility OLEA® T222. Это позволяет эталонной конструкции сочетать программную гибкость обычного процессора с аппаратным ускорением, обеспечивая работу в реальном времени вплоть до максимальной требуемой скорости двигателя. Благодаря интеграции платы управления эталонная конструкция также помогает пользователям избежать проблем с механической и электрической интеграцией, которые обычно возникают при подключении платы управления и интеллектуального силового модуля.

OLEA® APP INVERTER — это гибкое и полностью настраиваемое программное обеспечение управления (рис. 3), которое адаптируется к любому типу электропривода и любому диапазону мощности благодаря набору параметров конфигурации и калибровки, которые можно изменять в автономном режиме или в режиме реального времени. Программное обеспечение также включает в себя среду отладки и калибровки с графическим интерфейсом.

Рисунок 3. Программное обеспечение управления инвертором OLEA® APP предоставляет множество функций для регулирования и оптимизации работы двигателя.

Благодаря OLEA® COMPOSER разработчики могут сократить время, необходимое для оптимизации программного обеспечения управления двигателем (подробнее о четырехэтапном процессе оптимизации см. во врезке).

Характеристики инвертора на основе SiC:
После настройки параметров можно протестировать двигатель и определить КПД инверторно-моторного блока. На рисунках 4a и 4b сравниваются характеристики инвертора на основе SiC и инвертора на основе IGBT, протестированных в аналогичных условиях реального времени.

Рисунок 4а. Характеристики инвертора на основе SiC при мощности до 260 кВт и частоте вращения 13500 об/мин, демонстрирующие КПД во всем диапазоне скоростей и крутящего момента.

Рисунок 4b. Кремниевый инвертор мощностью до 120 кВт при 11 500 об/мин демонстрирует низкую крутящую способность (см. точки пересечения) в сопоставимых условиях.
Эти графики показывают, как превосходная эффективность привода на основе SiC обеспечивает лучшее взаимодействие с пользователем. С увеличением скорости и нагрузки крутящий момент двигателя значительно снижается из-за его более низкой эффективности при работе с приводом на основе IGBT; тепло, выделяемое за счет потерь энергии внутри самого устройства, не может быть рассеяно без существенного увеличения охлаждения. В отличие от этого, высокоэффективный привод на основе SiC может достигать максимального крутящего момента в гораздо более широком диапазоне скоростей и нагрузок.

Настройка и калибровка привода:
Инструментарий OLEA® COMPOSER помогает пользователям настроить двигатель в соответствии со спецификациями заказчика и упрощает калибровку таких параметров, как напряжение, номинальная мощность, скорость и крутящий момент, для достижения оптимального рабочего диапазона. После завершения можно задать КПД инвертора-двигателя.
Настройка и калибровка выполняются в четыре этапа:
Этап 1: Настройка параметров программного обеспечения
• Настройте программное обеспечение OLEA® APP INVERTER в соответствии с параметрами электродвигателя.
Этап 2: Настройка аппаратной части инвертора
• Настройте электродвигатель, включая такие компоненты, как резольвер и датчики температуры. Подключите электронный блок управления (ЭБУ) электромобиля и интерфейсы испытательного стенда (например, CAN, безопасность), питание и охлаждение.
• Проверьте интерфейсы безопасности инвертора с помощью испытательного стенда.
Этап 3: Калибровка системы управления двигателем
• Режим разомкнутого контура: Откалибруйте цепи обработки сигналов датчиков тока и напряжения с помощью блока управления OLEA® T222 FPCU.
• Режим частичного разомкнутого контура: калибровка смещения датчика положения, независимо от того, используются ли резольверы или индуктивные датчики.
• Режим замкнутого контура по току: настройка ПИ-регулятора векторов ID и IQ для управления, ориентированного на поле (FOC).
• Режим управления крутящим моментом: точная настройка контура управления крутящим моментом для повышения точности и динамического отклика. •
Режим замкнутого контура скорости: калибровка регулятора скорости.
Шаг 4: Расширенная оптимизация системы
• Выбор частоты переключения: настройка частоты переключения в зависимости от скорости и фазных токов.
• Компенсация мертвого времени: настройка алгоритма компенсации мертвого времени для минимизации гармоник фазного тока.
• Снижение потока: оптимизация заданных значений ID/IQ для эффективной работы в области максимального крутящего момента по напряжению (MTPV).
• SVPWM/DPWM: определение порогового значения между SVPWM (широтно-импульсная модуляция пространственного вектора) и DPWM (прерывистая широтно-импульсная модуляция) для обеспечения большей эффективности на высоких скоростях.
Этот метод позволяет скорректировать эталонную конструкцию для достижения КПД более 99% при напряжении шины 700 В и частоте вращения до 4000 об/мин, как показано ниже:

В заключение
, автобусы, грузовики и сельскохозяйственная техника представляют собой значительную возможность для электрификации и сокращения выбросов, наносящих вред окружающей среде. Технология силовых элементов на основе карбида кремния может помочь максимально повысить надежность и срок службы транспортных средств, а также обеспечить более высокую эффективность по сравнению с кремниевыми IGBT или MOSFET. Сложность проектирования на основе SiC и необходимость ускорения вывода продукции на рынок требуют гибкой платформы разработки, которая поможет разработчикам достичь целей для различных типов и категорий транспортных средств. Комплексная эталонная конструкция, которая решает основные проблемы проектирования на основе SiC, обеспечивая при этом гибкость и масштабируемость для размещения батарей различной мощности и напряжения в малых и больших транспортных средствах, эффективно минимизирует риски проектирования и ускоряет вывод продукции на рынок.

Ссылки
[1] Источник: NESTE: На пути к устойчивой мобильности / Апрель 2023 г.: https://journeytozerostories.neste.com/transportation/towards-sustainable-mobility#885e75ed
[2] Интеллектуальные силовые модули CISSOID SiC: https://www.cissoid.com/sic-power-modules/

О компании Cissoid - www.cissoid.comCISSOID
— лидер в области решений для силовых полупроводников, поставляющий многофазные сильноточные силовые коммутационные модули, системы управления двигателями и программное обеспечение в широком диапазоне мощностей. Наши решения варьируются от систем на кристалле до полных эталонных инверторных проектов на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) для растущего числа приложений в области электромобильности и высоких мощностей. Наше лидерство и опыт в области полупроводников для экстремально высоких температур, высоконадежных решений и корпусирования позволяют нам решать задачи, связанные с постоянно растущей плотностью мощности на различных рынках.

Автор: Пьер Делатт, технический директор CISSOID