La fonction de l’onduleur de traction est essentielle pour les véhicules électriques. Cet article examine son fonctionnement interne en termes d’efficacité, de sécurité, de protection et de conception.
Cet article est publié par pÉlectrique dans le cadre d’un partenariat de contenu numérique exclusif avec Bodo’s Power Systems.
Les caractéristiques déterminantes d’un véhicule électrique (VE) peuvent être sa batterie et son moteur de traction électrique, mais elles nécessitent l’existence d’un troisième élément tout aussi fondamental : les onduleurs de traction. Un onduleur de traction permet à la batterie d’un VE de fonctionner avec un moteur électrique en convertissant l’énergie continue (DC) de la batterie en énergie alternative (AC) pour entraîner le moteur.
Le marché des VE est bien établi, mais la technologie des VE est loin d’être entièrement mature. Des améliorations de la performance, de la fiabilité et de la sécurité des VE sont encore possibles, et l’industrie automobile continue de les rechercher activement. Une attention considérable a été portée à la technologie des batteries et des moteurs, mais les innovations récentes dans les onduleurs de traction sont également importantes.
Des pilotes de grille pour les onduleurs de traction ont récemment été introduits. Pour la première fois, ces pilotes peuvent basculer entre plusieurs valeurs de courant préréglées en fonction des conditions de fonctionnement du VE ; en d’autres termes, les pilotes de grille offrent une force de grille dynamique. Un des premiers exemples est le GD3162 de NXP.
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Changer la force de la grille permet à l’algorithme de contrôle de l’onduleur d’optimiser la vitesse de commutation du dispositif de puissance de l’onduleur en fonction de l’état actuel du moteur. Par exemple, lorsque la température ambiante est très froide (ce qui peut affecter la vitesse de commutation du dispositif de puissance) ou lors du freinage régénératif (ce qui peut augmenter la tension du bus et provoquer un stress sur le dispositif dû à un dépassement) dans les véhicules qui offrent cette fonctionnalité.
Le principal avantage est que l’efficacité globale du VE est augmentée, mais l’innovation de NXP offre également une solution de sécurité fonctionnelle robuste tout en améliorant les critères de conception matériels typiques pour protéger les dispositifs de puissance. Il appartient au constructeur automobile de choisir comment tirer parti des améliorations d’efficacité, mais, par exemple, le fabricant d’équipement d’origine (OEM) peut utiliser l’amélioration pour augmenter l’autonomie du véhicule de manière modeste mais mesurable.
Pilotes de Grille
L’onduleur de traction d’un VE doit fournir des niveaux de puissance élevés, allant de 80 kilowatts à plus de 200 kW, supporter des températures élevées et être léger.
Les pilotes de grille dans les onduleurs de traction pilotent les dispositifs de puissance de l’onduleur, traditionnellement des IGBT en silicium mais de plus en plus des MOSFET en carbure de silicium (SiC). Les dispositifs de puissance sont les interrupteurs qui convertissent l’énergie DC de la batterie en énergie AC pour le moteur.
Figure 1. Un schéma d’exemple d’un onduleur de traction pour un VE. Six circuits intégrés (CI) de pilotes de grille distincts sont couramment utilisés, deux pour chaque phase d’un moteur AC triphasé typique. Le pilote de grille pilote directement le dispositif de puissance – un IGBT ou un MOSFET en carbure de silicium (SiC), qui commute l’énergie DC de la batterie en énergie AC pour le moteur. Les pilotes de grille fixent généralement la vitesse de commutation à une valeur spécifique unique. Cependant, un pilote de grille avec une force de grille dynamique peut modifier la vitesse de commutation en fonction des conditions du moteur. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
L’onduleur de traction d’un VE incorpore généralement six circuits intégrés (CI) de pilotes de grille discrets et six dispositifs de puissance, deux de chaque pour chaque phase d’un moteur AC triphasé (Figure 1). Les pilotes de grille – y compris les commandes de force de grille – sont généralement gérés par le microcontrôleur de l’onduleur de traction.
Des résistances sont incluses pour limiter de manière fiable le courant de crête pour charger ou décharger les grilles. Traditionnellement, la valeur spécifique était fixe pour se protéger contre les surtensions dans les pires cas, laissant des économies d’énergie potentielles inutilisées dans des conditions plus nominales.
Force de Grille Dynamique
Cependant, la capacité de changer la vitesse à laquelle la grille s’allume ou s’éteint a de nombreux effets potentiellement avantageux sur le dispositif de puissance et le moteur.
Les interrupteurs de puissance sont bien caractérisés, mais les véhicules rencontrent un nombre incalculable de conditions qui affectent la performance électrique des interrupteurs de puissance. Une liste partielle inclut les changements de courant du moteur, la tension de la batterie/du bus, et la température du dispositif de puissance. Le réglage du courant de commande de grille module l’événement de commutation (énergie) pour la condition spécifique, ce qui est inestimable pour maximiser l’efficacité dans toutes les conditions (Figure 2).
Figure 2. Une comparaison de EON/EOFF à une gamme de courants. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
La performance de l’onduleur (et du véhicule) pourrait être plus efficace si le comportement de commutation pouvait être sélectionné en fonction des conditions de conduite – si la force de grille dynamique était une option.
NXP offre cette option en intégrant des broches supplémentaires dans ses pilotes de grille. Le pilote de grille GD3162 de NXP dispose de deux broches pour les chemins de mise en marche et de deux autres pour les chemins de mise hors tension, qui peuvent être articulés indépendamment. Il offre le choix entre des sorties allant jusqu’à environ 10 A ou jusqu’à environ 20 A, ainsi qu’une troisième option d’utilisation des deux ensemble pour fournir jusqu’à environ 30 A. Pourquoi « environ »? En pratique, l’OEM ou le concepteur du système voudra probablement inclure une résistance de limitation de puissance pour limiter le courant afin que les valeurs soient légèrement inférieures à 10 A, 20 A ou 30 A, en fonction des préférences de l’OEM et des autres contraintes du système.
La force de la grille peut être contrôlée par des broches d’entrée numériques ou des commandes SPI (Figure 3). Quoi qu’il en soit, les clients peuvent piloter leurs dispositifs de puissance aussi fort qu’ils le souhaitent. Avec une telle large gamme de courants possibles pour piloter la grille, le GD3162 peut même piloter plusieurs dispositifs ou matrices en parallèle.
Figure 3. Ce diagramme d’application du pilote de grille GD3162 inclut deux résistances distinctes pour la mise en marche et la mise hors tension. La force de la grille peut être sélectionnée par commande SPI ou via des broches GPIO. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Avec le dispositif GD3162, la force de grille souhaitée peut être commandée et exécutée en temps réel à mesure que le moteur tourne.
Efficacité
Les dispositifs de puissance peuvent être endommagés par un stress de tension excessif. De plus, même si les composants électroniques automobiles sont conçus pour fonctionner dans de large plages de températures, il reste conseillé de limiter la charge thermique sur les circuits intégrés automobiles, y compris les pilotes de grille de plus en plus avancés, chaque fois que cela est possible.
La conception de la résistance de commande de grille commence généralement par examiner les conditions les plus défavorables (par exemple, charge maximale, tension maximale). L’objectif est d’avoir une résistance suffisante pour offrir une protection lorsque ces conditions se produisent.
En effet, cela minimise les dommages potentiels, mais les conditions les plus défavorables sont par nature atypiques. Ajouter un pilote de grille offrant une force de grille dynamique, comme le pilote GD3162 de NXP, permet de fonctionner à des réglages de force de grille qui mettent l’accent sur des conditions plus typiques (plus légères).
Le système évalue en continu plusieurs facteurs du système (courant, tension, température) et contrôle toujours la force de la grille. Il fonctionne à un réglage que l’OEM désigne comme optimal pour les conditions typiques, en changeant automatiquement pour des réglages plus adaptés aux conditions atypiques lorsque celles-ci se produisent, puis en revenant dynamiquement lorsque les conditions redeviennent habituelles. Le pilote de grille GD3162 donne à l’intégrateur système plus de contrôle sur la meilleure façon de protéger le dispositif de puissance. L’amélioration d’efficacité associée dans des modes plus adaptés à une utilisation typique peut être significative.
Figure 4. Une comparaison des événements de commutation à haute force de grille versus faible force de grille. Le pilote de grille GD3162 peut affecter la force de grille du côté haute tension via la broche ISEN/COMP. Image utilisée avec l’aimable autorisation de Bodo’s Power Systems [PDF]
Les concepteurs de systèmes devraient donc être en mesure d’utiliser un système de refroidissement plus petit, ce qui réduirait la taille et le poids de l’onduleur. Réduire la taille et le poids global du véhicule peut finalement affecter positivement l’autonomie.
Sécurité et Fiabilité
Les onduleurs de traction sont une application critique en matière de sécurité et doivent généralement répondre aux exigences ASIL D. Les circuits intégrés des pilotes de grille doivent contribuer aux objectifs de sécurité fonctionnelle de l’onduleur de traction. Le pilote de grille GD3162 est certifié ASIL C/D, répond aux exigences des applications automobiles et est entièrement qualifié AEC-Q100 grade 1.
Le dispositif GD3162 utilise deux broches pour les mises en marche et hors tension, protégeant contre les défaillances ponctuelles du résistor de commande de grille. Le dispositif rapporte également la force de grille commandée et reçue, protégeant contre les défaillances latentes ou une panne en temps réel dans la commande de force de grille.
Solutions d’Onduleur de Traction NXP
Le GD3162 est un pilote de grille avancé, isolé galvaniquement, à canal unique, conçu pour piloter les derniers modules SiC et IGBT pour les onduleurs de traction dans les véhicules électriques à batterie, hybrides et xEV. Le GD3162 propose une fonctionnalité de pilotage de force de grille dynamique réglable avec de puissants avantages en termes d’efficacité et de sécurité. De plus, les fonctionnalités de protection programmables avancées sont gérées de manière autonome en cas de défaut, et l’état du dispositif de puissance et du pilote de grille est rapporté via les broches d’interruption et SPI. Le GD3162 est conçu pour des systèmes à niveau d’intégrité de sécurité fonctionnelle élevé (ASIL C/D) et répond aux exigences rigoureuses des applications automobiles, étant entièrement qualifié AEC-Q100 grade 1. La solution système d’onduleur de traction EV de NXP comprend des microcontrôleurs S32K39 multicœurs en mode verrouillage, des circuits de sécurité FS26 SBC, le CAN d’amélioration du signal TJA1462, l’Ethernet PHY TJA1103, et des pilotes de grille haute tension GD3162 pour contrôler la conversion de puissance vers le moteur de traction avec une haute efficacité et fiabilité.
La solution système de NXP offre un ensemble riche de packages logiciels de contrôle moteur pour accompagner le matériel optimisé. Le système d’onduleur de traction EV fournit un contrôle précis, une surveillance et une protection des interrupteurs de haute puissance pour une efficacité énergétique et une fiabilité accrues. Le système assure un contrôle précis et efficace de la vitesse et du couple du moteur, permettant une conformité ASIL D avec les exigences ISO 26262. Pour soutenir les clients dans leur développement d’onduleurs de traction et réduire le temps de mise sur le marché, NXP propose une plate-forme de référence de contrôle d’onduleur de puissance EV facile à utiliser avec des logiciels d’activation du système. Ces plates-formes de conception incluent des schémas, BoMs, fichiers de disposition, et des documents de sécurité pour les modules IGBT ou MOSFET SiC. Le GD3162 peut être entièrement exploré en utilisant la carte d’évaluation FRDMGD3162HBIEVM (EVB). Les utilisateurs peuvent évaluer différentes valeurs de résistance en changeant le composant sur l’EVB et ensuite tester les divers effets de la force de grille via le GD3162.
L’innovation d’un CI de pilote de grille, tel que le GD3162, avec force de grille dynamique, offre aux OEMs automobiles une nouvelle option passionnante pour améliorer les onduleurs de traction. La fonction de pilotage de grille dynamique offre une performance de commutation optimale pour les dispositifs de puissance avancés (par exemple, SiC, GaN) dans des plages de fonctionnement de plus en plus larges. La force de grille dynamique sur le GD3162 augmente l’efficacité de l’onduleur, offre une solide solution de sécurité fonctionnelle, et améliore les critères de conception matériels typiques pour protéger le dispositif de puissance.
Cet article est initialement paru dans le magazine Bodo’s Power Systems [PDF].