Elektroniikan suunnittelijat ja valmistajat ahkeroivat kehittääkseen ratkaisuja, jotka täyttävät nopeasti kasvavan sähköautoteollisuuden vaatimukset. Monet alan yritykset haluavat kehittää komponentteja tai järjestelmiä, jotka vievät sähköautot seuraavaan kehitysvaiheeseen ja nostavat näin koko EV-markkinat entistä kypsemmälle tasolle. Kaikkien tavoitteena on kasvattaa sähköautojen toimintamatkaa ja tuottaa näin lisäarvoa ajoneuvojen käyttäjille, OEM-valmistajille ja kuluttajille.

Seuraavassa tarkastellaan kehityshanketta, jossa kaksi tällä alueella toimivaa yhtiötä - LEM ja Semikron Danfoss – ovat työskennelleet yhdessä näihin tavoitteisiin pääsemiseksi. Yhteistyö on keskittynyt erityisesti innovaatioon, joka perustuu LEMin Nano-virta-anturin integroimiseen Semikronin puolisilta-tehomoduulien DCM-alustalle (Direct Cooled Molded).

Suuri tehotiheys

Yleisesti tiedetään, että sähköautojen moottorinohjaimissa ja sisäisissä tai erillisissä latureissa on kaksi keskeistä vaihtoehtoa yltää suureen tehotiheyteen. Voidaan hyödyntää saumatonta ja tehokasta integrointia tai toisaalta voidaan käyttää rakenteeltaan mahdollisimman pienikokoisia tehomoduuleja ja virta-antureita (’minimal footprint’, ’small form factor’).

Aiempaa paremman tehotiheyden ja hyötysuhteen ansiosta SiC-mosfetteihin perustuvat tehomoduulit ovat mahdollistaneet entistä tiiviimmän rakenteen ja yhä pitemmän toimintamatkan sähköautoille. LEM ja Semikron ovat jo pitkään tehneet läheistä yhteistyötä kehittääkseen erityisesti sähköajoneuvojen voimansiirtoon suunnattuja teknisiä innovaatioita.

Semikron Danfoss halusi tarjota asiakkailleen tehomoduulin, joka integroi täydellisesti anturitoiminnon ja minimoi samalla komponentin vaatiman tilan. Tällainen ratkaisu yksinkertaistaa kokoamista ja pitää kustannukset alhaisina. Vaikka integrointiasteen lisäämisessä ja koon kutistamisessa onnistuttiin, päädyttiin siihen, että all-in-one -tyyppinen rakenne olisi kaikkein suositeltavin ratkaisu. Suunnittelijat keksivätkin konseptin, jossa LEMin nykyinen Nano-anturi voidaan sulauttaa Semikronin DCM-moduulialustaan.

1200 voltin jännitteisiin yltävä DCM 1000X -moduuliperhe hyödyntää uusimman sukupolven 750 ja 1200 voltin SiC-mosfettejä (sekä Si-IGBT-kytkimiä). Tämä tarkoittaa, että alusta voi sallia DC-linkin jännitteeksi jopa 1000 volttia, mikä täyttää eristysominaisuuksia määrittelevän standardin IEC 60664-1 vaatimukset. Moduulin virtakapasiteetti voidaan mitoittaa jopa tasolle 800 Arms asti puolijohteiden laajan pinta-alan ansiosta.

Täysin uusi konsepti

Yhtiöt kehittivät kokoonpanoon täysin uudenlaisen konseptin ja loivat samalla myös magneettiseen sydämeen perustuvan virta-anturin, joka on 60 % pienempi kuin mikään muu sydänpohjainen virta-anturi markkinoilla. Konsepti tarjoaa myös suuren kaistanleveyden ja erinomaisen suojan ylikuulumista vastan. Rakenne voidaan sijoittaa mihin tahansa tehomoduuliin, virtakiskoon tai johtimeen virtojen mittaamiseksi täysin integroidulla tavalla.

Uusi Nano-anturi soveltuu erityisen hyvin käytettäväksi sähköautoissa DCM-alustaa hyödyntävien invertterien kanssa. Se on yhteensopiva myös Semikron Danfossin muiden tehomoduulialustojen kanssa. Konsepti tarjoaa entistä korkeamman integrointitason, mutta lisäksi se on helppo asentaa. Se myös täyttää kaikki 800 voltin akkujärjestelmien asettamat eristysvaatimukset.

Uuden anturin tärkeitä ominaisuuksia ovat sen kyky tarjota luotettava toiminta monenlaisissa haastavissa ympäristöissä kuten kosteudelle ja tärinälle altistavissa kohteissa. Mekaanisesti hyvin kestävärakenteinen anturi tarjoaa myös erinomaista vakautta korkeissakin lämpötiloissa.

DCM 1000X on siirtomuovauksen (transfer molding) avulla valmistettu tehomoduuli, jonka virta- ja signaalijohdot tulevat ulos kotelon sivusta. Näin kotelon yläpuolen ja hilaohjauskortin väliin jää tyhjää tilaa. Innovatiivinen idea Nano-konseptissa on ollut magneettiseen sydämeen perustuva virta-anturi, joka mahtuu tähän käyttämättömään tilaan. Kuvassa 1 nähdään ’räjäytyskaavio’ moduulin rakenteesta.

Nano-anturi tarjoaa huippuluokan tarkkuuden, erinomaisen suojan ulkoisia kenttiä vastaan, suuren kaistanleveyden sekä korkean signaali-kohinasuhteen (SNR), johon useimmat magneettiseen sydämeen perustuvat virta-anturit yltävät. Lisäksi virta-anturin viemä tila mahtuu tehomoduulin sisälle, joten se ei vaadi ylimääräistä tilaa invertterissä.

Kuva 1. LEMin Nano-anturin integrointi DCM 1000X -tehomoduuliin.

Rakenteessa ei myöskään tarvitse käyttää muita komponentteja anturin mekaaniseen kiinnittämiseen moduuliin ja sähköiseen kytkemiseen ohjainkorttiin. Kaikki nämä ominaisuudet tarkoittavat, että Nano-anturi tarjoaa parhaan mahdollisen integroinnin muihin magneettista sydäntä hyödyntäviin virta-antureihin verrattuna. Tämä yksinkertaistaa vertikaalista integraatiota ja samalla myös vähentää valmistuskustannuksia sekä pidentää tuotteen käyttöikää.

Virtakiskon ympärillä

LEM suunnitteli virtakiskon ympärille sijoitettavan, kahta ilmarakoa hyödyntävän magneettisydämen, jolla on korkea magneettinen resistanssi (reluktanssi). Se estää sydämen kyllästymisen suurilla virroilla ja rajoittaa magneettivuon tiheyttä. Suunnittelijat loivat ratkaisun, jossa on kaksi ferromagneettista sauvaa – toinen on sijoitettu AC-virtakiskon yläpuolelle ja toinen alapuolelle. Hall-anturielementit on sijoitettu sydämen kahteen ilmarakoon.

Suunnittelijat havaitsivat, että valmistuksessa käytettävä ylivalu (overmolding) saattaa olla kriittinen prosessi anturin suorituskyvyn kannalta. Tämä johtuu siitä, että valuprosessi voi aiheuttaa jännityksiä sydänosan rakenteeseen vähentäen sen kyllästymistasoa ja lisäten magneettista offset-siirtymää. Kaikki nämä voivat vaikuttaa anturin kokonaistarkkuuteen.

Koska sydämen mittojen lisääminen oli mahdotonta tilanpuutteen vuoksi, Danfossin valamat ja LEMin kalibroimat näytekappaleet tarkastettiin kokoonpanovaiheessa. Tavoitteena oli varmistaa, kuinka uusi rakenne toimisi lopullisessa kokoonpanossa. Mukana olivat tarkkuutta mittaavat testit eri virroilla ja eri lämpötiloissa.

Ylivalamisen havaittiin tuoneen vain minimaalisen eron anturin suorituskykyyn: offsetin kokonaispoikkeama (magneettinen + sähköinen) oli alle +/- 5 A ja herkkyysvirhe alle 3 % (kuva 2). Samoin kaistanleveys (kuva 3), askelvaste (kuvat 4a ja 4b) sekä oikosulkutesti (kuva 5) täysin ylivaletuilla näytekappaleilla osoittivat vasteajaksi alle 3 µs.

Kuva 2. Täysin ylivaletun näyteanturin kokonaistarkkuus.

Kuva 3. Täysin ylivaletun näyteanturin kaistanleveys.

Kuva 4a. Täysin ylivaletun näyteanturin askelvaste (100A/Div & 200µs/Div).

Kuva 4b. Täysin ylivaletun näyteanturin askelvaste (100A/Div & 5µs/Div).

Kuva 5. Täysin ylivalettujen näyteanturien oikosulkutestien tulokset.

Järjestelmän testaamiseksi AC-tasolla todellisessa invertterikytkennässä A-sarjan prototyyppiä (uuden polven SiC-mosfet) käytettiin yhtenä vaiheena 3-vaihetestissä, jossa nopeilla transienteilla testattiin LEMin Nano-anturin kestävyyttä korkeita jännitepiikkejä vastaan (dV/dt).

Prototyypille käytettiin testeissä seuraavia parametreja: fsw = 10 kHz, perustaajuus = 50 Hz, PF = 1, I = 650 Arms. Tulopuolen vesi/glykoliseoksen lämpötila pidettiin tasolla 30°C ja virtaus nopeudessa 8 litraa minuutissa. Fluxgate-virta-anturia käytettiin suorituskyvyn mittauksessa referenssinä. Kuvassa 5 nähdään testitulokset sinimuotoisesti moduloidulla virralla.

Saadut mittaustulokset ovat sopusoinnussa simuloinnin ja kalibroinnin kanssa. Ne osoittavat johdonmukaisia tuloksia virran eri tasoilla, jotka mitattiin arvoon 650 Arms asti.

Kuva 6. Nano-anturin testitulokset saatiin käyttäen referenssinä Fluxgate-anturia.

Perinteiset siirtomuovausprosessit eivät salli sähköisten liitäntöjen tekemistä kohteen yläpuolelle, minkä lisäksi ne vaativat myös muottiseokselle kovetusvaiheita korkeissa lämpötiloissa. Näistä syistä anturi suunniteltiin jaettavaksi kahteen osaan.

Alapuolen magneettisydän sijaitsee tehomoduulissa ja yläpuolen magneettisydän (anturiosineen) tehomoduulin ulkopuolella. Lopullinen rakenne (kuva 7) koostuu kerrosmaisesta asetelmasta tehomoduulin, anturiosien ja hilaohjainlevyn välillä. Anturielementin ja hilaohjainlevyn välillä on myös suora liitäntä.

Kuva 7. Poikkileikkaus anturiyksikön lopullisesta kerrosrakenteesta.

Anturin liittämisellä kotelon yläosaan päästään väljään rakenteeseen, jossa on riittävät ilmaraot ja eristysvälit kotelon ulkopuolisten liittimien välillä. Näin päästään vaadittuun läpilyöntikestoisuuteen sekä osien yksinkertaiseen sijoitteluun hilaohjainlevyllä.

Ylivalettu magneettisydän on kotelon sisäpuolella kytketty samaan potentiaaliin kuin vaiheliitäntä. Virtakiskon poikkileikkausta on pienennetty hieman magneettisydämen leveyden kaventamiseksi. Näin saadaan myös eristysvälit sydämen ja viereisten johtimien välillä suuremmiksi. Tämä ei vaikuta virtakiskon mekaaniseen vakauteen tai tuota lämpöongelmia, koska ohennus sijaitsee virtakiskon osassa, joka on ylivalettu ja hyvin lähellä vesijäähdytettyä alustaa.

Onnistunut yhteishanke

Semikron Danfossin vanhempi sähköinsinööri Fabio Carastro toteaa: - Semikronin DCM-tehomoduulin, SiC-mosfettien ja LEMin täysin integroidun anturin yhdistäminen vie sähköautojen invertterit aivan uudelle tasolle integroinnissa ja tehotiheydessä.

LEMin Nano-projektipäällikkönä toimiva elektroniikkainsinööri Damien Coutellier puolestaan tiivistää: - Tämä projekti oli merkittävä haaste ja sen menestys perustuu täydelliseen kumppanuuteen Semikron Danfossin kanssa.