Díky spolupráci vzniká nová generace proudového senzoru pro výkonové aplikace z automobilového průmyslu

Vývojáři a také výrobci se v oblasti elektroniky skutečně namáhají, aby mohli nabídnout řešení, která uspokojí potřeby rychle se rozvíjejícího průmyslu spojeného s elektrovozidly (EV).

Řada firem zde očekává příchod součástek nebo i celých systémů, které EV posunou na ještě vyšší úroveň a souvisejícímu trhu tak umožní lépe dospět. Smyslem je prodloužení dojezdové vzdálenosti EV, což představuje hodnotu jak pro Tier 1, tak i OEM či spotřebitele.

V článku si ukážeme, jak dvě společnosti, LEM a Semikron Danfoss, spojily své síly, aby mohly zmíněných cílů dosáhnout. Zaměřuje se především na inovace stojící za vývojem plně integrovaného senzoru proudu LEM Nano pro platformu výkonového modulu s polovičním můstkem Direct Cooled Molded (DCM^TM) od Semikron Danfoss.  

Vysoká hustota výkonu

Jak dobře víme, existují dva základní způsoby, jak v případě EV u bateriově napájených pohonů s trakčním motorem nebo i nabíječek (on/off-board charger) dosáhnout vysoké hustoty výkonu. První spočívá v hladkém a efektivním způsobu integrace, zatímco další již znamená použití nejmenších možných modulů napájení a také proudových senzorů (hovoříme zde rovněž o minimální zastavěné ploše na desce nebo drobných snímačích).

Díky spojení rostoucí hustoty výkonu s účinností umožnily napájecí moduly s tranzistory MOSFET na bázi SiC snížit rozměry a prodloužit i dojezd. LEM a Semikron Danfoss nějakou dobu úzce spolupracovali na vývoji a přišli s technologickou novinkou, která se speciálně zaměřuje na elektrická hnací ústrojí.

V Semikron Danfoss chtěli pro své zákazníky nabídnout napájecí modul, který by zcela integroval funkci snímání a zároveň i snižoval rozměry součástky. Zjednodušila by se tak montáž a udržely i nízké náklady. Přestože bylo vyvinuto řešení, ve kterém se snoubila citelná úspora místa s vyšší mírou integrace, upřednostňovanou možností zde bylo multifunkční provedení „vše v jednom“. Vývojáři proto přišli s konceptem, který by proudový senzor LEM zakotvil přímo v platformě DCM^TM.

Rodina DCM^TM 1000X používá ve své 1200V třídě nejnovější generaci 750V a také 1200V MOSFETů SiC (stejně jako Si-IGBT). To znamená, že platforma na vedení podporuje DC napětí až 1000 V a z pohledu koordinace izolace přitom vyhovuje požadavkům standardu IEC 60664-1. Proudová zatížitelnost modulu se může díky zvolené velikosti plochy u polovodiče vyšplhat až na 800 A_rms.

Zcela nový koncept

Obě společnosti však nevyvinuly pouze úplně nový koncept pro kompletaci, ale vytvořily rovněž proudový snímač založený na jádru, který je o 60 % menší než jakýkoli další senzor proudu zmíněného druhu na trhu. Řešení dále nabízí velkou šířku pásma a vynikající odolnost vůči přeslechům, takže lze koncept rozšířit na jakýkoli modul napájení, sběrnici či běžné vedení a měřit zde proudy zcela integrovanou cestou.

Nový proudový senzor Nano je ale vhodný zejména pro nasazení s trakčními střídači EV, které používají platformu DCM^TM. Bude rovněž kompatibilní s ostatními platformami pro napájecí moduly Semikron Danfoss. Koncept přináší vysokou míru integrace a stejně tak bude vše snadné i zkompletovat a vyhovět přitom veškerým požadavkům na izolaci u 800V bateriových systémů.

Mezi další vlastnosti nového snímače patří jeho schopnost zajistit spolehlivé výsledky, a to navzdory nejrůznějším náročným podmínkám, včetně ochrany proti vlhkosti a vibracím. Součástka se obzvlášť pyšní stabilitou za vysokých teplot, stejně jako značně vysokými úrovněmi mechanické odolnosti.

DCM^TM 1000X je „transfer molded“ napájecí modul se silovými a také signálovými vývody řešenými na boční straně pouzdra. Mezi horní stranou pouzdra a deskou budiče hradla tak může vzniknout nějaký volný prostor. Inovativní představou stojící za konceptem Nano byl proto návrh proudového snímače založeného na jádru, který by se na zmíněné nevyužité místo vešel. Způsob řešení sestavy sledujeme díky obr. 1.

Obr. 1 Způsob integrace senzoru LEM Nano v rámci řešení DCM^TM 1000X

Senzor Nano přichází s vysokými stupni přesnosti, skvělou odolností vůči vnějším polím, velkou šířkou pásma a také vysokým odstupem užitečného signálu od šumu (SNR), tedy parametry, které dokáže zajistit většina proudových snímačů založených na jádru. Ale nejen to. Řešení senzoru proudu se vejde do prostoru „nárokovaného“ modulem napájení, takže ve střídači již nezabíráme žádné další místo.

Zároveň se obejdeme bez jakýchkoli dalších instalovaných součástí, které by senzor mechanicky připevnily a také jej elektricky propojily s deskou budiče. Veškeré zmíněné funkce tedy znamenají, že snímač Nano bude v kontextu všech dalších senzorů proudu založených na jádru zárukou nejvyššího stupně integrace. Zjednodušuje se tak nejen proces vertikální integrace, ale snižují též i výrobní náklady a prodlužuje životnost daného produktu.

Okolo vedení

Společnost LEM navrhla magnetické jádro obklopující sběrnicový vodič s dvojí vzduchovou mezerou a trasou s vysokou reluktancí. Řeší tak saturaci jádra při vyšších odběrech a omezuje v něm i hustotu toku. Firemní vývojáři zde vytvořili řešení, které obsahuje dva přímé feromagnetické pásy, jeden umístěný na AC přívodu a další pak vespod. Snímací Hallovy prvky pak našly své místo ve dvou vzduchových mezerách.

Firma LEM zjistila, že proces „over-mold“ může hrát v otázce dosahovaných vlastností senzoru zásadní roli. Měl totiž potenciální schopnost vnášet do struktury jádra namáhání, snižovat jeho saturační úroveň a zvyšovat magnetický offset. To vše pak může ovlivňovat celkovou přesnost.

 Obr. 2 Celková přesnost vzorku, který zcela prošel procesem „over-mold“ (platí i v případě dalších výsledků na obr. 3 až obr. 5) 

S prostorovým omezením, které neumožňovalo velikostně předimenzovat jádro, byly vzorky, které v Danfoss prošly výše zmiňovaným procesem, po kalibraci firmou LEM v průběhu kompletace zkontrolovány. Smyslem bylo potvrdit, jak se začne nový koncept chovat ve své finální podobě, což zahrnovalo testování přesnosti napříč proudovými a také teplotními rozsahy. Zjistilo se, že proces „over-mold“ způsobuje minimální rozdíly spojované s parametry senzoru, kdy obdržíme celkovou chybu offsetu (magnetický + elektrický) méně než ±5 A a chybu citlivosti pod 3 % (viz obr. 2). Podobně nám i testy šířky pásma (obr. 3), skokové odezvy (obr. 4a + obr. 4b) či zkratu (obr. 5) v případě plnohodnotných vzorků potvrdily odezvu pod 3 µs.

 Obr. 3 Šířka pásma vzorku

 

 Obr. 4a Skoková odezva vzorku (100 A/dílek & 200 µs/dílek)

 Obr. 4b Skoková odezva vzorku (100 A/dílek & 5 µs/dílek)

Obr. 5 K výsledkům při testování zkratu

Abychom zjistili úroveň AC systému v průběhu činnosti reálného střídače, byl prototyp, vzorek A vybavený nejnovější generací MOSFETů SiC, použit u třífázového systému na pozici jednoho ze stupňů. Rychlé přechodové jevy při spínání zde tudíž mohly prověřit odolnost senzoru Nano od společnosti LEM vůči velkým změnám dV/dt.

Pro účely tzv. DoE (Design of Experiment) se použily následující elektrické parametry: f_sw = 10 kHz, základní kmitočet 50 Hz, PF = 1 a I = 650 A_rms. Teplota přitékající směsi vody a glykolu byla udržována okolo 30 °C, zatímco průtok dosahoval 8 litrů za minutu. Jako referenční snímač se použil proudový senzor Fluxgate. Na obr. 6 vidíme výsledky testu s využitím sinusově modulovaného proudu.

 

 Obr. 6 Výsledky testu srovnávající senzor Nano s referenčním Fluxgate

Výsledky, které jsme obdrželi, jsou ve shodě se simulací i kalibrací a dokazují stabilní výstupy, a to navzdory různým úrovním proudu s testy až do 650 A_rms.

Tradiční procesy (transfer molding) nejen že neumožňují propojení z horní strany, ale budou dále vyžadovat i vytvrzovací fáze při vysoké teplotě. Senzory byly kvůli tomu navržené jako dělené. Spodní strana magnetického jádra je posazena na výkonový modul, zatímco horní strana magnetického jádra (s jeho snímacími prvky) pak bude vně. Výsledné rozvržení (obr. 7) tedy představuje sendvičovou strukturu mezi výkonovým modulem, snímacími prvky a deskou budiče hradla. Mezi snímacím prvkem a deskou budiče hradla rovněž existuje přímé spojení.

Obr. 7 Průřez výslednou sestavou

Díky propojení senzoru z horní části pouzdra lze v návrhu dosáhnout dostatečných vzdušných i povrchových vzdáleností mezi vnějšími vývody. Znamená to, že pak vyhovíme požadavkům na oddělení vysokého napětí a ještě k tomu zjednodušíme rozvržení desky budiče hradla.

V rámci pouzdra pak bude magnetické jádro (over-mold) spojeno se stejným potenciálem jako vývod fáze. U pásku zde rovněž došlo k drobnému zmenšení průřezu, takže se minimalizuje šířka magnetického jádra a maximalizuje izolační vzdálenost mezi jádrem a sousedním vedením. Takové omezení však nemá vliv na mechanickou stabilitu pásku a nezpůsobuje ani žádné teplotní komplikace, protože hovoříme o části vedení, která je spojena s procesem „over-mold“ a nachází se velmi blízko substrátu chlazeného vodou.

Fabio Carastro (Senior Electrical Engineer, Semikron Danfoss) k tomu říká: „Spojení napájecího modulu DCM^TM od Semikron Danfoss, čipů tranzistorů MOSFET na bázi SiC a plně integrovaného senzoru LEM pro střídače používané v automobilovém průmyslu skutečně zajistí novou úroveň integrace a také hustoty výkonu.“

Damien Coutellier (Senior Electronics Engineer, LEM a vedoucí projektu Nano) dodává: „Tento projekt pro nás představoval významný, ale i náročný úkol a jeho úspěch spočívá v bezvadné spolupráci s firmou Semikron Danfoss.“