การเปลี่ยนมาใช้รถยนต์ไฟฟ้ากำลังเร่งความต้องการอินเวอร์เตอร์สำหรับระบบขับเคลื่อนที่ไม่เพียงแต่มีขนาดกะทัดรัด น้ำหนักเบา แต่ยังมีประสิทธิภาพสูงอีกด้วย เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ อุตสาหกรรมกำลังมุ่งไปสู่สถาปัตยกรรม 800 โวลต์และอุปกรณ์ไฟฟ้า SiC (ซิลิคอนคาร์ไบด์) ซึ่งช่วยให้ความเร็วในการสลับเร็วขึ้น ประสิทธิภาพด้านความร้อนดีขึ้น และมีประสิทธิภาพสูงขึ้น

อย่างไรก็ตาม ความก้าวหน้าเหล่านี้ก่อให้เกิดความท้าทายใหม่ ๆ ในการออกแบบโครงสร้าง ซึ่งจำเป็นต้องใช้วิธีการแบบองค์รวมที่บูรณาการประสิทธิภาพทางไฟฟ้า การจัดการความร้อน และความสามารถในการตรวจจับเข้าไว้ในแพลตฟอร์มเดียว

การย่อขนาดเป็นปัจจัยสำคัญในการออกแบบอินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่ การลดขนาดและน้ำหนักโดยไม่ลดทอนความน่าเชื่อถือต้องอาศัยนวัตกรรมในการบรรจุภัณฑ์และการรวมส่วนประกอบ ในบรรดาเทคโนโลยีเหล่านี้ เทคโนโลยีการตรวจจับกระแสแบบไร้แกนได้กลายเป็นเทคโนโลยีที่สำคัญ ซึ่งช่วยให้มีขนาดเล็ลงในขณะที่ยังคงรักษาความแม่นยำและแบนด์วิดท์สูง

ความท้าทายสำหรับการตรวจวัดกระแสไฟฟ้าในอินเวอร์เตอร์รุ่นใหม่

การตรวจจับกระแสไฟฟ้าเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการควบคุมแบบวงปิดในอินเวอร์เตอร์สำหรับระบบขับเคลื่อน เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานของมอเตอร์ที่แม่นยำและความปลอดภัยของระบบ อย่างไรก็ตาม ระบบรุ่นใหม่มีข้อจำกัดด้านการออกแบบที่ท้าทาย อุปกรณ์ SiC ที่ทำงานที่ 800 V สร้างความชันของแรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก จึงต้องการเซ็นเซอร์ที่มีความต้านทานต่อ dv/dt สูง คุณลักษณะการสวิตช์ที่รวดเร็วของ SiC ยังต้องการเซ็นเซอร์ที่สามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าอย่างรวดเร็วโดยไม่ล่าช้า ในขณะที่ยังคงรักษาความแม่นยำภายใต้สภาวะแรงบิดต่ำซึ่งเป็นลักษณะทั่วไปของการขับขี่ในเมือง

เซ็นเซอร์แบบมีแกนทั่วไปให้ค่าอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) สูงและมีความทนทาน แต่เพิ่มขนาดและน้ำหนัก ทำให้ความยืดหยุ่นในการออกแบบลดลง เพื่อเอาชนะข้อจำกัดเหล่านี้ เซ็นเซอร์วัดกระแสไฟฟ้าแบบไร้แกนจึงได้รับความนิยมมากขึ้นเรื่อยๆ สำหรับการออกแบบอินเวอร์เตอร์ขนาดกะทัดรัด สำหรับการทดสอบแนวคิดนี้ เซ็นเซอร์ EZ232L ของ AKM ได้รับเลือกเนื่องจากตรงตามข้อกำหนดที่สำคัญทั้งหมด:

• ความละเอียดสูง (ประมาณ 1 A _RMS ) ครอบคลุมช่วงกระแสไฟฟ้ากว้าง
• แบนด์วิดท์กว้างและการตอบสนองที่รวดเร็วสำหรับการสวิตช์ SiC
• ภูมิคุ้มกันที่แข็งแกร่งต่อสัญญาณรบกวน dv/dt สูง

นอกเหนือจากประโยชน์ด้านการบูรณาการแล้ว การเลือกเทคโนโลยีการตรวจจับยังมีบทบาทสำคัญต่อประสิทธิภาพของระบบ เมื่อเปรียบเทียบกับเซ็นเซอร์ฮอลล์แบบซิลิคอน ซึ่งมีความไวต่ำและโดยทั่วไปต้องใช้แกนแม่เหล็ก เทคโนโลยีฮอลล์แบบผสม (InAs) ที่ใช้ใน EZ232L ของ AKM ให้ความไวสูงโดยไม่จำเป็นต้องมีแกน ทำให้สามารถลดขนาดและเพิ่มความยืดหยุ่นได้

แม้ว่าเซ็นเซอร์ TMR จะมีความไวสูงเช่นกัน แต่ก็มีปัญหาด้านความน่าเชื่อถือโดยธรรมชาติ กล่าวคือ กระแสไฟกระชากขนาดใหญ่หรือสัญญาณชั่วขณะอาจรบกวนสมดุลแม่เหล็ก ลดความแม่นยำ และทำให้เกิดฮิสเทอรีซิส ในทางกลับกัน เซ็นเซอร์แบบฮอลล์นั้นเป็นที่ยอมรับและมีความทนทานสูง รักษาประสิทธิภาพที่เสถียรแม้ภายใต้สนามแม่เหล็กแรงสูงและสภาวะการทำงานที่รุนแรง ดังแสดงในตารางที่ 1

คุณลักษณะเหล่านี้ทำให้เซ็นเซอร์ฮอลล์แบบผสมเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับอินเวอร์เตอร์ระบบขับเคลื่อนรุ่นใหม่ ซึ่งความแม่นยำ ความน่าเชื่อถือ และการออกแบบที่กะทัดรัดเป็นสิ่งสำคัญ

ตารางที่ 1  การเปรียบเทียบเซ็นเซอร์แม่เหล็ก

การพิสูจน์แนวคิด: โมดูลพลังงานขนาดกะทัดรัดและมีประสิทธิภาพสูง

โมดูลพลังงานที่เสนอแสดงในรูปที่ 1 แสดงให้เห็นถึงแนวทางใหม่ในการลดขนาดและเพิ่มประสิทธิภาพ โดยนำเสนอโซลูชันแบบครบวงจรที่รวมเอาแผ่นรองพื้นอะลูมิเนียมออกไซด์แบบเชื่อมทองแดงโดยตรง (DCB) ไว้บนสารกึ่งตัวนำกำลัง SiC วงจรขับเกต และความสามารถในการตรวจจับกระแสไฟฟ้า

ด้วยการใช้เทคโนโลยี PCB มาตรฐานและชิ้นส่วนสำเร็จรูป การออกแบบนี้จึงมีความยืดหยุ่นและประหยัดต้นทุนสำหรับปริมาณการผลิตขนาดเล็กถึงขนาดกลาง แนวคิดการบูรณาการนี้ตอบสนองความต้องการที่เพิ่มขึ้นสำหรับโซลูชันขนาดกะทัดรัดและปรับขนาดได้ในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลังของรถยนต์ไฟฟ้า

ไอซีฮอลล์เอฟเฟกต์ EZ232L ช่วยให้สามารถตรวจวัดกระแสไฟฟ้าแบบไร้แกนด้วยความแม่นยำและความละเอียดสูง สนับสนุนประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์ที่ดีขึ้นในช่วงการทำงานที่กว้าง การติดตั้งเซ็นเซอร์โดยตรงบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ใต้บัสบาร์ช่วยให้การวัดกระแสไฟฟ้ามีความเสถียรและมีแบนด์วิดท์กว้างโดยไม่เพิ่มขนาดหรือความยุ่งยากเพิ่มเติม

นวัตกรรมหลายประการทำให้โมดูลพลังงานนี้เหมาะสำหรับการใช้งานในรถยนต์ไฟฟ้ากำลังสูง ประการแรก การใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ Infineon QDPAK ที่ระบายความร้อนจากด้านบน ร่วมกับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) และตัวเก็บประจุบายพาส DC ที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้ได้ค่าความเหนี่ยวนำของวงจรต่ำเป็นพิเศษประมาณ 5 nH ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสวิตช์ความเร็วสูงที่เสถียร ในขณะที่ยังคงรักษาแรงดันเกินต่ำไว้ได้

ระบบระบายความร้อนแบบสองด้านช่วยให้มีขนาดกะทัดรัด แม้จะมีวงจรขับเกตและเซ็นเซอร์แบบรวมอยู่ภายใน ในขณะที่ยังคงรักษาประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่เพียงพอ สิ่งนี้เป็นไปได้ด้วยการกระจายความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพผ่านแผ่นระบายความร้อน QDPAK และฉนวนในตัวสำหรับอุปกรณ์แต่ละชิ้น

นอกจากนี้ แนวคิดการระบายความร้อนยังช่วยแก้ปัญหาเรื่องความเรียบของพื้นผิวที่มักเกิดขึ้นกับการระบายความร้อนจากด้านบน เนื่องจากชิ้นส่วนประกอบถูกยึดไว้ระหว่างแผ่นระบายความร้อนสองแผ่น การออกแบบบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) นี้รองรับการสลับกระแสไฟฟ้าที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ แม้ในระดับกระแสไฟฟ้าสูงมาก โดยการรวมวงจรควบคุมและวงจรเกตไว้ใกล้กับอุปกรณ์กำลังไฟฟ้า การจัดวางแบบนี้ช่วยลดค่าความเหนี่ยวนำปรสิตและรับประกันการสลับกระแสไฟฟ้าที่สะอาด ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับระบบที่ใช้ SiC ที่ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าสูง

ผลการวัด

รูปที่ 2 แสดงแผนผังการจัดตั้งอุปกรณ์ทดสอบ เซ็นเซอร์วัดกระแส EZ232L ถูกนำมาใช้สำหรับการทดสอบต่อไปนี้ อุปกรณ์ SiC แบบฮาล์ฟบริดจ์สามตัวถูกใช้งานแบบขนาน และตัวแปลง DCDC 15 V ถูกใช้เป็นแหล่งจ่ายไฟแบบแยกส่วนสำหรับตัวขับเกต

มีการใช้ตัวเก็บประจุฟิล์มภายนอกขนาด 420 µF ที่มีค่า ESR 2.6 mΩ เพื่อรักษาเสถียรภาพของแหล่งจ่ายไฟ DC link

ภาพที่ 3 แสดงการวัดกระแสพัลส์จริง เส้นสีชมพูแสดงสัญญาณอ้างอิง i _snที่จับได้โดยขดลวด Rogowski ในขณะที่เส้นสีเหลืองแสดงเอาต์พุตจากเซ็นเซอร์ EZ232L v _outเวลาตอบสนองที่วัดได้ t _responseสำหรับ EZ232L (ที่ 150 A กระแสโหลดครึ่งหนึ่ง) คือ 808 ns ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการติดตามการเปลี่ยนแปลงกระแสอย่างรวดเร็วโดยมีความล่าช้าน้อยที่สุด

รูปที่ 4 แสดงผลการวัดประสิทธิภาพ dv/dt เพื่อประเมินอิทธิพลของอัตราการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าต่อเอาต์พุตของเซ็นเซอร์ วงจรฮาล์ฟบริดจ์ถูกใช้งานโดยไม่มีโหลดที่ 800 V ทำให้เกิดความชันของแรงดันไฟฟ้า 98 V/ns เอาต์พุตของเซ็นเซอร์ EZ232L v _outถูกตรวจสอบที่ขั้วต่อ BNC ซึ่งตรงกับเส้นสีเหลือง เส้นสีชมพูแสดงถึงโพรบกระแส i _snและเส้นสีฟ้าอ่อนคือแรงดันไฟฟ้า DC link V _dcและเส้นสีเขียวแสดงแรงดันไฟฟ้าที่จุดสวิตช์ v _snผลลัพธ์เหล่านี้ยืนยันความทนทานของเซ็นเซอร์ภายใต้สภาวะ dv/dt ที่รุนแรง

บทสรุป

การสาธิตแนวคิดนี้แสดงให้เห็นว่า การรวมโมดูลพลังงานบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เข้ากับการตรวจจับกระแสแบบไร้แกน สามารถมอบโซลูชันที่กะทัดรัด มีประสิทธิภาพ และทนทานต่อความร้อน สำหรับอินเวอร์เตอร์ขับเคลื่อนรถยนต์ไฟฟ้าเจเนอเรชั่นใหม่ได้อย่างไร

ด้วยการผสานรวมประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ความน่าเชื่อถือทางความร้อน และความแม่นยำในการตรวจจับเข้าไว้ในแพลตฟอร์มเดียว แนวทางนี้จึงเป็นการวางรากฐานสำหรับการออกแบบที่เป็นมาตรฐานและคุ้มค่า ซึ่งตอบสนองความต้องการของสถาปัตยกรรมรถยนต์ไฟฟ้าแรงดันสูงในอนาคต EZ232L มีข้อดีหลายประการสำหรับการใช้งานอินเวอร์เตอร์ในระบบขับเคลื่อนรถยนต์ และอยู่ในตำแหน่งที่ดีที่จะรองรับความต้องการในอนาคต