- Les concepteurs et fabricants du secteur de l’électronique s’emploient à mettre au point des solutions qui répondent aux exigences des fabricants de véhicules électriques (VE), dont le marché connaît une expansion rapide.
- De nombreuses entreprises du secteur cherchent à créer des composants ou des systèmes qui permettront d’optimiser la conception des véhicules électriques et d’accompagner le marché afin qu’il gagne en maturité.
- L’objectif est d’accroître l’autonomie des véhicules électriques et d’apporter une valeur ajoutée aux fabricants, équipementiers et utilisateurs.
- La collaboration entre les équipes de LEM et Semikron Danfoss pour atteindre ces objectifs a conduit au développement du capteur de courant LEM Nano, concu pour une intégration optimale au sein des modules de puissance DCMTM de Semikron Danfoss.
- La combinaison du module d’alimentation DCMTM de Semikron-Danfoss, des puces SiC-MOSFET et du capteur entièrement intégré de LEM vise à permettre aux onduleurs automobiles d’atteindre un haut niveau d’intégration et de densité de puissance.
Haute densité de puissance
Il est communément admis qu’il y existe deux méthodes permettant d’augmenter la densité de puissance des chaines de traction alimentés par batterie et des chargeurs de véhicules électriques. La première consiste à utiliser des composants discrets pour réaliser le fonction de mesure de courant d’un part et de conversion de puissance d’autre part. Cette solution est généralement appropriée pour des niveaux de puissance faible (quelques kW). La deuxième s’appuie sur l’intégration des 2 fonctions de conversion d’énergie et de mesure dans un même composant, très avantageuse dans le cas de puissances élevées (de l’ordre de la centaine de kW).
En combinant une densité de puissance et une efficacité accrues, les modules de puissance SiC-MOSFET permettent de gagner en compacité ainsi qu’en autonomie. LEM et Semikron Danfoss ont collaboré étroitement afin de développer une solution technologique innovante spécifiquement destinée aux groupes motopropulseurs électriques.
Semikron Danfoss souhaitait proposer à ses clients un module de puissance intégrant pleinement la fonction de mesure de courant tout en minimisant l’encombrement au niveau de l’onduleur. L’objectif était de de simplifier le processus d’assemblage et de réduire les coûts. Une solution offrant une réduction significative de l’encombrement et un niveau d’intégration plus important avait déjà été envisagée mais les deux équipes ont décidé de pousser le projet le plus loin possible en privilégiant la conception d’un module tout-en-un. Les équipes ont donc proposé un concept intégrant le capteur de courant LEM au sein même de la plate-forme DCMTM.
La famille DCMTM1000X est équipée de la dernière génération de transistors SiC-MOSFET 750V et 1200V (ainsi que des Si-IGBT). Cette plate-forme technologique peut donc supporter des tensions batterie allant jusqu’à 1000V. Le positionnement optimal des semi-conducteurs sur le substrat combiné à un excellent couplage thermique permet au module de puissance de supporter des courants pouvant atteindre jusqu’à 800 Arms en fonctionnement permanent.
Un concept novateur
Les deux entreprises n’ont pas seulement développé un concept d’assemblage novateur. Elles ont également conçu un capteur de courant à noyau magnétique extrêmement compact. Celui-ci est en effet 60 % plus petit que tout autre capteur de courant à noyau magnétique du marché. Il offre également une large bande passante et une excellente immunité contre les champs magnétiques environnants, ce concept peut être intégré à n’importe quel module de puissance, busbar ou conducteur classique afin de mesurer des courants de façon optimale.
Le nouveau capteur de courant Nano est particulièrement adapté aux onduleurs de traction des véhicules électriques qui exploitent la plateforme DCMTM. Il est également compatible avec d’autres plateformes de modules de puissance de Semikron Danfoss. Outre son haut niveau d’intégration, ce concept, qui facilite le processus d’assemblage, peut répondre à toutes les exigences d’isolation relatives aux systèmes de batteries de 800V.
Le nouveau capteur se distingue également part ses excellentes performances obtenues dans une grande variété d’environnements difficiles combinant humidité, température et vibrations. Il se démarque notamment par sa stabilité sur toute la plage de température ainsi que sa robustesse mécanique.
Le module de puissance DCMTM1000X est un boîtier moulé en basse pression dont l’un de ses côtés comporte le point milieu du demi-pont ainsi que les signaux de commande des transistors de puissance. Cet emplacement comporte de l’air entre la face supérieure du module de puissance et la carte électronique de commande des transistors. C’est l’endroit idéal pour y intégrer un capteur mesurant le champ magnétique généré par le courant. L’innovation réside dans la conception d’un capteur de courant extrêmement compact intégrant un noyau magnétique qui s’intègre idéalement à cet emplacement. La figure 1 illustre une vue éclatée de l’assemblage.
Le capteur Nano se distingue des capteurs de courant à noyau magnétique classiques par sa grande précision, une excellente immunité contre les champs externes, une bande passante élevée et un excellent rapport signal sur bruit (SNR). De plus, le capteur de courant étant situé directement dans le module de puissance , il n’est plus nécessaire de prévoir d’espace supplémentaire au sein de l’onduleur et d’adapter les différents bus bar vis-à-vis du capteur de courant.
Par ailleurs, aucun autre composant mécanique n’est nécessaire pour fixer le capteur et le connecter électriquement à la carte de commande des transistors de puissance. Toutes ces raisons expliquent pourquoi le capteur Nano offre le plus important niveau d’intégration jamais atteint par un capteur de courant dédié aux application chaine de traction électrique. Cela simplifie le processus d’intégration, tout en réduisant les coûts de fabrication et en augmentant la durée de vie du produit.
Intégration autour du busbar
LEM a conçu un circuit magnétique autour du bus bar présentant un double entrefer et ainsi une réluctance élevée. Cette conception permet d’étendre la saturation du noyau à des courants plus élevés et de réduire la densité du flux dans le noyau tout en garantissant une très bonne précision notamment grâce à la mesure différentielle. L’équipe R&D de LEM a créé une solution comportant deux barres ferromagnétiques rectilignes – l’une placée sur le dessus et l’autre sur le dessous du conducteur primaire. Des capteurs hall ont été positionnés au sein deux entrefers permettant de mesurer de façon différentielle le champs magnétique généré par le courant.
LEM a identifié que le processus de surmoulage pouvait présenter un impact significatif sur les performances du capteur. Ce processus était en effet susceptible d’introduire des contraintes mécaniques dans le matériaux magnétique, de réduire son niveau de saturation et d’augmenter le champ coercitif réduisant ainsi les performances globales du capteur.
Les contraintes d’espace ne permettant pas de surdimensionner le noyau, des échantillons, surmoulés chez Semikron-Danfoss et calibrés puis caractérisé chez LEM, ont été vérifiés au cours du processus d’assemblage. L’objectif étant de vérifier les performances du nouveau concept dans sa configuration finale, notamment en testant la précision sur une gamme de courants et de températures. Le processus de surmoulage n’a eu qu’une incidence minime sur les performances du capteur, avec une erreur d’offset globale (magnétique + électrique) inférieure à +/-5A et une erreur de sensibilité inférieure à 3 % (figure 2). De même, la bande passante (figure 3), la réponse à un échelon (figures 4a et 4b) et le test de court-circuit (figure 5) sur les échantillons entièrement surmoulés ont confirmé un temps de réponse inférieur à 3µs.
Pour tester le fonctionnement du capteur dans un environnement proche de celui d’une chaine de traction de moteur, le prototype de l’échantillon A, qui intègre des transistors SiC-MOSFET de dernière génération, a été utilisé comme une phase d’un onduleur triphasé piloté dans des conditions représentatives de l’application finale tant au niveau de l’amplitude que de la fréquence du fondamental du courant et de la fréquence de découpage des interrupteur. Cela a permis d’obtenir notamment de vérifier la robustesse du capteur vis-à-vis de dV/dt issue des commutation des semi-condusteurs de puissance.
Les paramètres électriques suivants ont été appliqués lors des essais experimentaux : fsw=10kHz, fondamental =50Hz, PF=1, I=650Arms. La température du mélange eau/glycol à l’entrée du module de puissance a été maintenue autour de 30°C. Le débit était de 8 l/min. Un capteur de courant de référence de type Fluxgate a été utilisé afin de verifier les performance du Nano. La figure 5 dévoile les résultats du test avec un courant modulé sinusoïdal.
Les résultats obtenus sont en accord avec les travaux de simulation et de caractérisation. Ils sont cohérents pour les différents niveaux de courant testés jusqu’à 650Arms.
Les procédés traditionnels de moulage par transfert basse pression ne garantissent non seulement pas facilement l’interconnexion par le haut, mais nécessitent également des étapes de durcissement à haute température du composé du moulage. Pour ces raisons, le capteur Nano a été conçu en deux parties. Le noyau magnétique inférieur se situe dans le module de puissance alors que le noyau magnétique supérieur (avec les capteurs hall) se trouve à l’extérieur du module de puissance. La disposition finale (figure 7) constitue une structure en sandwich entre le module de puissance, les capteurs hall et la carte de commande de grille. Les capteurs hall ainsi que la carte de commande de grille sont également directement interconnectés entre eux.
Grâce à l’interconnexion du capteur par le haut du boîtier, il est possible d’obtenir une conception avec suffisamment d’espace libre et de lignes de fuite entre les bornes externes au boîtier. Cela signifie que les exigences en matière d’isolation vis-à-vis de hautes tensions peuvent être respectées et que l’implantation de la carte du circuit de commande des transistors de puissance est simplifiée.
À l’intérieur du module de puissance, le noyau magnétique surmoulé est connecté au même potentiel que le bus bar. La section du busbar a été légèrement réduite afin de minimiser la largeur du noyau magnétique et de maximiser la distance d’isolation entre le noyau et les liaisons adjacentes. Cette restriction n’affecte pas la stabilité mécanique du jeu de barres et n’entraîne pas de problèmes thermiques car elle est située sur une partie du jeu de barres qui est surmoulée et très proche du substrat refroidi à l’eau.
