Il existe de nombreuses formules pour calculer la capacité du lien DC dans les onduleurs à modulation de largeur d’impulsion des véhicules électriques. Cet article illustre un chemin rapide et simple vers une solution pratique.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat exclusif de contenu numérique avec Bodo’s Power Systems.
Il existe de nombreuses formules pour calculer la capacité du lien DC dans les onduleurs à modulation de largeur d’impulsion des véhicules électriques.
Un condensateur dans le circuit intermédiaire de l’onduleur automobile pour stocker et tamponner l’énergie est un condensateur de lien DC (Figure 1 encadrée en vert). Le principal objectif du condensateur de lien DC avec cette capacité est d’absorber suffisamment les ondulations de courant générées par le stade de puissance de l’onduleur à trois phases à commutation rapide, qui est connecté au moteur via des câbles courts ou des barres omnibus.
Figure 1. Schéma simplifié du circuit d’entraînement de puissance et exemple des flux de courants des condensateurs. Image proposée avec l’aimable autorisation de Rambow Technology et Bodo’s Power Systems [PDF]
La capacité est choisie pour maintenir l’ondulation maximale de la tension du lien DC sous contrôle et, en même temps, pour améliorer la densité énergétique du système. Ces condensateurs fonctionnent généralement à des tensions élevées allant de 400 VDC à 800 VDC. L’industrie automobile est bien connue pour exiger des composants qui garantissent une fiabilité exceptionnelle lorsqu’ils fonctionnent sous l’influence de fortes contraintes, par exemple à des températures extrêmement élevées, vibrations et humidité. Pour tous les onduleurs, il est vrai que le condensateur de lien DC, en tant que composant A, est crucial pour la conception, la fiabilité et, en fin de compte, le succès. Il existe de nombreuses formules de calcul plus ou moins compliquées pour la capacité du lien DC dans les onduleurs de véhicules électriques modulés en largeur d’impulsion (Figure 2).
Figure 2. PWM – le cycle de service est modifié de manière sinusoïdale. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Rohde & Schwarz et Bodo’s Power Systems [PDF]
Dans les chaînes de traction automobile, le condensateur de film de lien DC est monté directement sur des commutateurs individuels ou des modules de puissance de semi-conducteurs (si des ponts en B6 ou demi-ponts sont utilisés) avec des valeurs de ESL et ESR très faibles (Figure 1 en vert). La proximité du condensateur au module de puissance est un objectif essentiel pour minimiser l’inductance parasite entre le stade de puissance et le condensateur lui-même.
Appliquer un concept de barre omnibus superposée permet de maintenir l’ESL aussi bas que possible, tandis que l’ESR est déterminée par la construction interne du condensateur lui-même. Même quelques nanohenries d’inductance parasite dans le chemin du courant du condensateur augmentent l’impédance à la fréquence de commutation à des niveaux qui réduisent leur efficacité. Une grande tension d’ondulation indique un grand courant d’ondulation circulant dans les condensateurs de masse et peut causer une dissipation excessive de puissance dans l’ESR. Avant de devenir limitant thermiquement, sélectionner correctement un condensateur et son emplacement peut avoir un effet positif sur la robustesse CEM de la voiture. Si les tensions d’ondulation et les courants correspondants sont maintenus bas, l’influence potentielle sur les systèmes pertinents pour la sécurité dans la voiture est également fortement réduite, de sorte qu’aucune interférence ne se produit dans le système électrique du véhicule, ce qui pourrait affecter d’autres modules fonctionnels.
À mesure que la fréquence augmente, l’inductance parasitaire de la source de la batterie et du câble fait augmenter l’impédance. L’impédance du condensateur de lien DC diminue, il devient donc le chemin préféré pour que l’AC haute fréquence circule dans le courant d’ondulation du condensateur (ICrms).
L’ampleur du courant de charge (IMrms) et le courant d’ondulation du condensateur (ICrms) correspondant, le cycle de service (dc ou m ; dans le pire des cas m=0,5), la fréquence de commutation (f) et la température (T(C)) sont des facteurs typiques qui déterminent l’ampleur de la tension d’ondulation aux bornes du condensateur. Puisque l’amplitude de la tension d’ondulation est directement proportionnelle au courant de charge de sortie, l’amplitude de l’ondulation de courant maximale se produit à la charge de sortie maximale, ce qui n’est pas surprenant. La courbe solide de la figure 3 montre l’amplitude de l’ondulation calculée en AC rms qui génère la perte considérée dans le condensateur. Elle atteint un maximum de cycle de service de 50 %. Le diagramme [Source : TI] montre comment cette amplitude diminue de part et d’autre de 50 %.
Figure 3. L’amplitude chute de part et d’autre de 50 %. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Texas Instruments et Bodo’s Power Systems [PDF]
Les différents types de constructions de condensateurs peuvent avoir un impact sur la capacité considérée. Alors que les condensateurs électrolytiques classiques à haute capacité ne jouent pas un rôle majeur dans ce segment d’application, la technologie des condensateurs à film de puissance se retrouve au centre de l’attention, et pour de bonnes raisons. En effet, la technologie des condensateurs à film de puissance apporte certains avantages précieux aux conceptions, notamment :
- Faible DF (facteur de dissipation) = faible ESR = faibles pertes
- Capacité élevée de courant d’ondulation
- Construction sèche = pas de souci d’évaporation
- Autoguérison dans certaines limites
Considérations de conception pour les condensateurs de film de lien DC
La température maximale à chaud à l’intérieur de chaque élément de condensateur en film est limitée à 105°C (pour le film polypropylène, largement utilisé). Alors que la température maximale de chauffage autonome du condensateur est de 20°C, la température du dissipateur thermique ne doit pas dépasser 85°C. Il existe déjà des matériaux en film pour 125°C disponibles, mais le coût ainsi que la taille les rendent peu attractifs et, en pratique, n’offrent pas une meilleure correspondance technologique commerciale. Par conséquent, la situation de refroidissement doit être validée. Tout excès de la température maximale de 105°C à l’intérieur de chaque élément de condensateur causera des dommages et réduira considérablement sa durée de vie. Vous pouvez mesurer la température à chaud au milieu de la surface du condensateur, si c’est accessible. Le résultat se rapproche de la température existante à l’intérieur parce que la plupart de ces condensateurs de lien DC sont volumineux, et la température augmente très lentement par rapport aux semi-conducteurs. Néanmoins, le condensateur de lien DC dans les conceptions d’onduleurs automobiles doit être refroidi et monté sur un dissipateur thermique. Au mieux, le fluide de refroidissement d’un dissipateur thermique refroidi par liquide devrait d’abord passer par le condensateur avant de refroidir les commutateurs à semi-conducteurs chauds, en respectant les limites de température et l’ampleur de la dissipation absolue en watts. Une autre considération lors de la sélection d’un condensateur de lien DC est la dérating en fonction de la température et de la tension appliquées. Veuillez consulter les fiches techniques ou demander des détails auprès du fabricant.
Les autres considérations en dehors de la température incluent l’humidité, les vibrations et la contamination (chimique).
Calculer les valeurs de condensateur
Pour le condensateur, la charge causée par le courant d’ondulation et la tension d’ondulation résultante sont les premiers critères de sélection. Le courant d’ondulation que le condensateur doit supporter, sans surchauffe par dissipation dans l’ESR (résistance série équivalente), est souvent le facteur prépondérant. Cela conduit généralement à une capacité bien supérieure aux calculs minimaux.
\[I_{Crms}=\frac{\sqrt{3}}{\sqrt{2}}*m*\cos\varphi\,*\,I_{Mrms}=1.22\,*\,0.5\,*\,0.8\,*\,I_{Mrms}\approx 0.5\,*\,I_{Mrms}\]
Condensateur – Courant d’ondulation ICrms
Le courant AC passant par l’ESR du condensateur provoque l’effet de chauffage comme suit :
Formule 1 : Calcul simplifié du courant rms (ICrms) des condensateurs
Hypothèses :
- IMrms (IPhx) = Courant de phase moteur en ampères
- Cos ~ 0.8 (valeur typique)
- m = indice de modulation (pire cas mentionné ci-dessus) = 0.5
Exemple :
- IMrms = 250A
➔ ICrms = 1.22 * 0.5 * 0.8 * 250A 0.5 * 250A = 125A
Néanmoins, pour les systèmes triphasés, la formule suivante correspond mieux :
➔ ICrms = 1.3 * IMrms / 2
Formule 2 : Calcul simplifié le plus utilisé du courant rms (ICrms) des condensateurs
Figure 4. ICrms avec restrictions de température. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Figure 5. Mesures sur un module HP-Drive IFX avec un condensateur en film TDK. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Mankel-Engineering.de et Bodo’s Power Systems [PDF]
Exemple :
➔ ICrms = 1.3 * 250A * 0.5 = 1.3 * 125A = 162,5A
Avec ces courants d’ondulation du condensateur calculés de manière approximative, vous pouvez consulter la fiche technique des condensateurs (Figure 4) et déterminer lequel correspond le mieux à votre conception pour couvrir cette valeur.
La figure 5 montre un exemple de mesure des courants d’un onduleur PWM.
Les courants de CH2 et CH4 ont été chacun mesurés avec une bobine de Rogowski et la mesure à CH3 avec une pince de courant AC/DC active.
CH2 montre le courant tiré de l’alimentation DC, dans ce cas, la batterie. L’amplitude du courant a la fréquence de la fréquence de sortie avec une ondulation de courant superposée de la fréquence de commutation. L’ondulation du courant dépend de la capacité du lien DC et de l’inductance de fuite de la ligne d’alimentation.
CH3 montre le courant de phase avec l’ondulation de la modulation de largeur d’impulsion. L’ondulation du courant dépend principalement de l’inductance de la charge.
CH4 montre le courant tiré par la modulation de largeur d’impulsion du condensateur de lien DC dans un demi-pont. Le courant est poussé dans l’inductance de la charge par la modulation de largeur d’impulsion des commutateurs à semi-conducteurs et le contour du courant de sortie.
Dans ce cas, lorsqu’un condensateur spécial pour le module HP-Drive est utilisé, seul le courant par demi-pont peut être mesuré en raison des conditions de connexion spécifiques du condensateur.
Condensateur – Tension d’ondulation Vr
Explication des valeurs utilisées dans les formules – (Figure 6 (simplifiée) et 7).
Figure 6. Ondulation de commutation de la tension de lien DC simplifiée (Vr). Image utilisée avec l’aimable autorisation de Rambow-Technology et Bodo’s Power Systems [PDF]
Rated Voltage (DC-Voltage) VR =VDC Maximum Ripple Voltage Vripple = Vr = Vpp = Vpkpk
Figure 7. Ondulation de commutation de la tension de lien DC (Vr) – courbe modifiée, résultats (trace bleue) et enveloppe crête à crête calculée (trace rouge) au fil du temps ; m = 0.50. Image utilisée avec l’aimable autorisation et courbe modifiée par Rambow Technology et Bodo’s Power Systems [PDF]
\[V_{Crms}=V_{pk}\times\frac{1}{\sqrt{2}}=V_{pk}\times0.7071\]
Formule 3 : Calcul simplifié de la tension d’ondulation du condensateur
Par exemple