Découvrez pourquoi les drivers à haute tension des véhicules électriques échouent et les stratégies d’atténuation pour une performance plus fiable et une longévité accrue.
Les drivers à haute tension sont cruciaux pour garantir que le flux de puissance dans les véhicules électriques soit contrôlé de manière fiable. Du contrôle de la commutation de l’IGBT ou du MOSFET de l’onduleur à la surveillance et à la gestion de l’état de charge, de la santé et des conditions thermiques de la batterie, les drivers à haute tension assurent un contrôle précis des événements de commutation. Les unités de contrôle du moteur et les chargeurs embarqués bénéficient également de ces drivers, les rendant essentiels pour le fonctionnement des VE. Cependant, ces drivers à haute tension ne sont pas infaillibles.
Examinons les défaillances et comment elles peuvent être résolues.
Surtension et sous-tension dans les drivers de portes
Les défaillances les plus courantes sont les surtensions et les sous-tensions. Leur gestion est importante pour assurer l’efficacité et la fiabilité des drivers de portes à haute tension des VE.
Surtension et atténuation
Pour comprendre comment atténuer ce problème, nous devons d’abord explorer comment la surtension se produit dans les drivers de portes. Lors de la commutation des transistors de puissance, le driver de portes à haute tension responsable de la gestion du flux de puissance dans le moteur électrique du VE peut être soumis à des pics transitoires dus à un retour inductif. Lorsque les enroulements du moteur sont désexcités, la chute du champ magnétique provoque un retour inductif, créant un pic de tension élevé. Cette augmentation soudaine peut stresser les transistors de puissance et les drivers de portes, entraînant leur défaillance.
Pour mieux décomposer la génération de pics de tension, nous pouvons évaluer le pic de tension en utilisant la loi de Lenz en considérant le taux de changement du courant et la charge inductive, dans ce cas, le moteur du VE.
Une autre cause de surtension dans les drivers de portes à haute tension est l’inductance parasite résultant des commutations rapides dans les circuits de l’onduleur des VE. Le dépassement de la tension peut être approximé en considérant le taux de changement du courant et l’inductance parasite.
Les effets de la surtension dans les drivers de portes peuvent engendrer des courts-circuits permanents lorsque la tension dépasse la tension de claquage de l’oxyde de porte des conducteurs de commutation. L’ampleur de la surtension est proportionnelle au stress imposé sur les composants du driver. Les émissions électromagnétiques provenant des pics de tension élevée peuvent interférer avec l’efficacité du driver.
La surtension peut être atténuée par la suppression transitoire de tension (TVS). Cela implique l’utilisation de dispositifs semiconducteurs tels que les diodes TVS qui agissent comme dispositifs de limitation de tension, offrant au courant un chemin à faible impédance lorsque le courant transitoire dépasse le seuil nominal. Lors de la sélection d’une diode TVS pour le driver de portes à haute tension, il convient de prendre en compte le courant de crête d’impulsion que la diode peut gérer pendant un événement transitoire et l’énergie absorbée et dissipée par la diode. En fonction de la tension de serrage et de la puissance du transitoire, le seuil de courant de la diode TVS peut être facilement estimé, où (tpulse) est la durée de l’impulsion transitoire.
\[I_{PP}=\frac{E_{transient}}{V_{C}\times t_{pulse}}\]
Une autre approche pour atténuer les effets de surtension dans les drivers de portes à haute tension consiste à utiliser des circuits d’amortissement RC, qui suppriment les pics de tension avec des résistances et des condensateurs connectés en série. Lors de la conception du circuit, sélectionnez un condensateur capable d’absorber l’énergie de la charge inductive du VE pour assurer les performances. En fonction du pic de tension maximal admissible et de l’inductance et de son courant de crête, une estimation de la capacité à utiliser dans le circuit d’amortissement peut être facilement réalisée. D’un autre côté, la sélection de la résistance appropriée pour le circuit doit se baser sur l’impédance caractéristique du circuit, permettant la dissipation d’énergie sans perte excessive de puissance.
\[C\geq\frac{L\cdot I^{2}}{V^{2}_{\,\,\,spike}}\]
Sous-tension et atténuation
La sous-tension est un autre problème notable qui peut affecter les performances des drivers de portes à haute tension dans les VE. Une tension de driver de portes inadéquate en raison de la sous-tension peut entraîner une commutation incomplète des transistors de puissance dans le driver. Cela réduit l’efficacité du processus de conversion de puissance des transistors du drive. Une autre manière dont la sous-tension impacte les drivers de portes est en provoquant des pertes de commutation dans les transistors de puissance par des vitesses de commutation plus lentes. Les pertes de commutation réduisent l’efficacité des transistors de commutation dans le drive en augmentant la quantité d’énergie dissipée lors d’un événement de commutation. Le temps de commutation (tsw), le courant de drain (Ids), la fréquence de commutation (fsw) et la tension drain-source (Vds) peuvent être considérés lors de l’évaluation de la perte de commutation pour des caractéristiques de commutation plus optimisées des transistors de puissance dans les drivers de portes des VE.
\[P_{sw}=\frac{1}{2}V_{ds}\times I_{ds}\times f_{sw}\times t_{sw}\]
Lors de la mitigation de la sous-tension, deux approches courantes peuvent être adoptées pour optimiser les performances des drivers de portes. La première utilise le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) qui maintient un seuil de tension minimal en surveillant la tension d’alimentation. S’il y a une chute de la tension d’alimentation en-dessous du seuil minimal, le driver est désactivé pour éviter un fonctionnement inadéquat. Le seuil UVLO résume la tension minimale nécessaire pour une commutation complète des transistors de porte et une marge de sécurité fixée qui prend en compte des aspects comme le bruit, la tolérance et la chute de tension dans le circuit UVLO.
La seconde approche utilise des régulateurs de commutation de puissance et des régulateurs linéaires tels que les régulateurs Low Drop Out (LDO). Ces régulateurs de tension d’alimentation garantissent une commutation adéquate des transistors de puissance et une réduction des pertes de puissance dans les drivers de portes. Les régulateurs utilisent souvent deux résistances pour former un diviseur de tension dans lequel le rapport de résistance détermine la tension de sortie après régulation. Dans le circuit de référence interne du régulateur de tension, nous pouvons également considérer sa tension de référence (Vref) pour évaluer la tension d’alimentation régulée. Cela est essentiel lors de la conception de l’alimentation du driver de portes pour un flux de puissance plus précis et stable, contribuant à maintenir les performances globales et la fiabilité des groupes motopropulseurs des VE.
\[V_{out}=V_{ref}\Big(1+\frac{R_{2}}{R_{1}}\Big)\]
Stress thermique dans les drivers de portes à haute tension
Se manifestant par des cycles thermiques et une surchauffe, le stress thermique survient lorsque la capacité de refroidissement des drivers de portes et de leurs transistors de commutation est dépassée. La surchauffe des drivers de portes à haute tension résulte de fréquences de commutation élevées où chaque événement de commutation introduit des pertes qui génèrent de la chaleur. Des techniques de gestion thermique inefficaces contribuent également à la surchauffe des drivers de portes à haute tension.
Lors du processus de conception, les systèmes de refroidissement sont souvent limités par l’espace, induisant une mauvaise ventilation ou un mauvais design de dissipateur thermique. Ceci entraîne une dissipation thermique médiocre, conduisant à la dégradation des semiconducteurs du driver et à un stress mécanique dû à l’expansion thermique. Lorsque la chaleur excessive dégrade le matériau semiconducteur, la diffusion des porteurs de charge augmente au sein du réseau semiconducteur, augmentant la résistance à l’état passant du dispositif de commutation. Cela augmente les pertes de conduction et provoque une échappée thermique, entraînant une défaillance si cela n’est pas correctement atténué. Les cycles thermiques, quant à eux, se produisent lorsqu’il y a une variation des conditions de charge. Dans ce cas, les drivers de portes à haute tension peuvent être soumis à des cycles thermiques via des opérations fréquentes de démarrage et d’arrêt plutôt qu’à une conduite à vitesse constante qui maintient une demande de puissance constante pour le VE.
Le stress thermique peut être atténué en optimisant la conception du système de refroidissement. Lors de la conception d’un dissipateur thermique, il est essentiel de prendre en compte la résistance thermique (θja), en s’assurant qu’elle soit suffisamment faible pour maintenir la température de jonction (TJ) à des niveaux sûrs. En tenant compte de la puissance totale dissipée par un transistor de puissance, la température de jonction peut être évaluée pour obtenir une conception de dissipateur thermique fiable. Un ventilateur plus grand et une ventilation efficace combinés à une conception de dissipateur thermique efficace peuvent grandement atténuer le stress thermique dans les drivers de portes.
\[T_{j}=T_{a}+P_{total}\times\theta_{ja}\]
Figure 1. Conception de dissipateur thermique pour la gestion du stress thermique. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Pixabay
Des températures de jonction plus élevées dans les transistors de puissance utilisés dans les drivers de portes à haute tension peuvent provoquer des pertes de conduction résultant de l’augmentation de la résistance à l’état passant des transistors. Cela engendre des préoccupations en matière de fiabilité telles que le vieillissement accéléré du matériau semiconducteur et la défaillance éventuelle due à la migration électrochimique et à la rupture de l’oxyde.
Drivers de portes à haute tension fiables
Un driver de portes à haute tension fiable assure un contrôle de puissance stable et efficace dans les VE. Avec la croissance de la technologie des VE, l’atténuation des défaillances courantes dans le driver devient essentielle pour la longévité et les performances optimisées. Les ingénieurs peuvent donc s’inspirer de certaines des méthodes courantes d’atténuation des défaillances pour une conception de driver de portes fiable.