ĐẨY NHANH QUÁ TRÌNH ĐIỆN KHÍ HÓA DI ĐỘNG NGOÀI Ô TÔ VỚI BỘ BIẾN TẦN KÉO SIC DẠNG MÔ-ĐUN VÀ CÔNG SUẤT CAO

Vận tải hàng hóa, xe địa hình và xe công nghiệp, ứng dụng hàng hải và hàng không đóng góp hơn 55% [1] tổng lượng khí thải nhà kính từ động cơ đốt trong. Việc điện khí hóa các hệ thống truyền động này có thể tạo ra sự khác biệt lớn trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Tuy nhiên, số lượng lớn các đơn vị đang hoạt động trên toàn thế giới có liên quan đến sự đa dạng về loại và nền tảng.

Để phát triển các xe điện mới một cách nhanh chóng, các kỹ sư cần mọi sự trợ giúp có thể. Sự khác biệt không chỉ đơn thuần là về mặt vật lý, về mặt kích thước, hình dạng và hạn chế về trọng lượng. Các yêu cầu về chức năng và an toàn điện, cũng như điều kiện môi trường phụ thuộc rất nhiều vào các ứng dụng và thị trường địa lý. Mặt khác, tình hình cạnh tranh giữa tất cả các nhà sản xuất đòi hỏi phải đưa sản phẩm ra thị trường nhanh chóng.

Về hiệu suất và độ tin cậy, silicon carbide (SiC) là công nghệ bán dẫn điện được lựa chọn. Trong khi nỗi lo về phạm vi hoạt động là một vấn đề khiến thị trường xe ô tô chở khách chuyển từ silicon sang SiC tiết kiệm năng lượng hơn, thì các phương tiện như xe buýt hoạt động trên các tuyến đường đã biết và xe địa hình di chuyển quãng đường tương đối ngắn. Đối với các ứng dụng này, khả năng điện áp cao của SiC cho phép sạc nhanh hơn với thời gian quay vòng ngắn hơn và khả năng hoạt động ở nhiệt độ cao giúp tối đa hóa độ tin cậy. Hơn nữa, các mô-đun yêu cầu ít thiết bị SiC hơn để chia sẻ nhiệm vụ và MOSFET SiC có thể nhỏ hơn so với điện áp đánh thủng so với các đối tác silicon của chúng. Do đó, cũng có thể tiết kiệm được kích thước mô-đun.

Tuy nhiên, các thiết bị điện SiC không phải là sự thay thế trực tiếp cho MOSFET silicon hoặc IGBT. Sắp xếp điều khiển cổng thích hợp để đảm bảo chuyển đổi nhanh và mượt ở tần số cao không phải là điều đơn giản. Có những thách thức khác bao gồm tích hợp các thành phần phần cứng, đặc biệt là bộ biến tần và mô-đun nguồn thông minh, cũng như thiết lập và hiệu chỉnh phần mềm điều khiển động cơ.

Phát triển nhanh chóng

Để giúp vượt qua những thách thức trong quá trình phát triển và đẩy nhanh thời gian đưa ra thị trường các mô-đun nguồn SiC mạnh mẽ và đáng tin cậy (Hình 1), CISSOID đã sản xuất một nền tảng bộ biến tần kéo SiC và thiết kế tham chiếu. Các nhà sản xuất hệ truyền động có thể sử dụng nền tảng này để xây dựng các hệ thống có khả năng hoạt động từ điện áp pin lên đến 850V. Phần cứng có dạng mô-đun và có thể mở rộng để tạo ra các thiết kế có nhiều mức công suất khác nhau.

Hình 1. Thiết kế tham chiếu bộ biến tần SiC điện áp cao của CISSOID.

Thiết kế tham chiếu giải quyết các khía cạnh của bộ biến tần vốn nổi tiếng là khó và tốn thời gian để thực hiện đúng. Các thành phần cốt lõi bao gồm mô-đun nguồn thông minh (IPM) 3 pha 1200V, đã được tích hợp với trình điều khiển cổng được tối ưu hóa cho các ứng dụng SiC và được thiết kế để chịu được nhiệt độ cao (Hình 2). Bộ điều khiển cung cấp dòng điện cổng cực đại vượt quá 10A và có thể hoạt động ở nhiệt độ môi trường lên đến 125°C.

Hình 2. Mô-đun nguồn thông minh (IPM) bao gồm tầng nguồn SiC với bộ làm mát chân cắm và bộ điều khiển cổng gắn trên cùng [2].

Vì trình điều khiển cổng SiC đã được tích hợp với mô-đun nguồn, người dùng có thể bắt đầu dự án của mình bằng giải pháp đã được xác thực và tối ưu hóa cho tốc độ chuyển mạch nhanh và tổn thất thấp, không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng dI/dt và dV/dt cao và có khả năng bảo vệ mạnh mẽ cho các tầng nguồn. Do đó, số lần lặp lại cần thiết để tinh chỉnh hiệu suất mô-đun và đảm bảo quản lý nhiệt phù hợp được giảm đáng kể. Phần cứng bổ sung trong thiết kế tham chiếu bao gồm cảm biến dòng điện DC và dòng điện pha, lọc EMI, bộ làm mát chất lỏng nhỏ gọn và tụ điện liên kết DC mật độ cao. Tụ điện liên kết DC được phát triển riêng cho nền tảng biến tần và bao gồm nhiều tùy chọn điện áp và dòng điện.

Kiểm soát và hiệu chuẩn phần mềm

Để hoàn thiện thiết kế tham chiếu, còn có một bảng điều khiển động cơ điện, với bộ xử lý và phần mềm dành riêng cho ứng dụng, cả hai đều được chứng nhận trước theo tiêu chuẩn ISO 26262, ASIL cấp D về an toàn chức năng. Phần mềm điều khiển động cơ cho phép điều chỉnh nhiều loại mà không ảnh hưởng đến chứng nhận an toàn chức năng, mang lại sự linh hoạt để tối ưu hóa hành vi của động cơ theo yêu cầu trong trường hợp sử dụng cuối. Người dùng có thể chạy phần mềm ứng dụng tùy chỉnh của riêng họ trên phần mềm này.

Bảng điều khiển được thiết kế xung quanh bộ điều khiển lập trình tại hiện trường (FPCU) Silicon Mobility OLEA ^® T222. Phương pháp này cho phép thiết kế tham chiếu kết hợp tính linh hoạt dựa trên phần mềm của bộ xử lý thông thường với khả năng tăng tốc phần cứng để đảm bảo hiệu suất thời gian thực lên đến tốc độ động cơ mong muốn cao nhất. Bằng cách bao gồm bảng điều khiển, thiết kế tham chiếu cũng giúp người dùng tránh được những thách thức tích hợp cơ học và điện thông thường khi kết hợp bảng điều khiển và Mô-đun nguồn thông minh.

OLEA ^® APP INVERTER là phần mềm điều khiển linh hoạt và có thể tùy chỉnh hoàn toàn (Hình 3), phù hợp với bất kỳ cấu hình hệ thống truyền động điện và phạm vi công suất nào nhờ bộ cấu hình và thông số hiệu chuẩn có thể được sửa đổi ngoại tuyến hoặc theo thời gian thực. Phần mềm cũng đi kèm với một khuôn khổ gỡ lỗi và hiệu chuẩn bao gồm giao diện đồ họa.