Việc chuyển đổi sang xe điện đang thúc đẩy nhu cầu về các bộ biến tần cho hệ thống truyền động, không chỉ cần nhỏ gọn và nhẹ mà còn phải có hiệu suất cao. Để đáp ứng những nhu cầu này, ngành công nghiệp đang hướng tới kiến ​​trúc 800 volt và nguồn điện SiC (silicon carbide), cho phép tốc độ chuyển mạch nhanh hơn, hiệu suất tản nhiệt tốt hơn và hiệu quả cao hơn.

Tuy nhiên, những tiến bộ này đặt ra những thách thức mới trong thiết kế cấu trúc, đòi hỏi một cách tiếp cận toàn diện tích hợp hiệu suất điện, quản lý nhiệt và khả năng cảm biến vào một nền tảng duy nhất.

Giảm thiểu kích thước là yếu tố then chốt trong thiết kế các bộ biến tần thế hệ tiếp theo. Việc giảm kích thước và trọng lượng mà không ảnh hưởng đến độ tin cậy đòi hỏi sự đổi mới trong bao bì và tích hợp linh kiện. Trong số các công nghệ này, công nghệ cảm biến dòng điện không lõi đã nổi lên như một động lực chính, cho phép thu nhỏ kích thước trong khi vẫn duy trì độ chính xác và băng thông cao.

Những thách thức trong việc đo dòng điện ở các bộ biến tần thế hệ mới.

Việc cảm biến dòng điện là rất cần thiết cho điều khiển vòng kín trong các bộ biến tần của hệ thống truyền động, đảm bảo hoạt động chính xác của động cơ và an toàn hệ thống. Tuy nhiên, các hệ thống hiện đại phải đối mặt với những hạn chế thiết kế đầy thách thức. Các thiết bị SiC hoạt động ở điện áp 800 V tạo ra độ dốc điện áp rất lớn, đòi hỏi các cảm biến có điện trở dv/dt cao. Đặc tính chuyển mạch nhanh của SiC cũng đòi hỏi các cảm biến có khả năng theo dõi nhanh chóng sự thay đổi dòng điện mà không bị trễ, đồng thời duy trì độ chính xác trong điều kiện mô-men xoắn thấp điển hình của việc lái xe trong đô thị.

Các cảm biến dòng điện không lõi thông thường cung cấp tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) cao và độ bền tốt, nhưng kích thước và trọng lượng lớn hơn làm giảm tính linh hoạt trong thiết kế. Để khắc phục những hạn chế này, các cảm biến dòng điện không lõi ngày càng trở nên phổ biến trong thiết kế biến tần nhỏ gọn. Để thử nghiệm ý tưởng này, cảm biến EZ232L của AKM đã được lựa chọn vì nó đáp ứng tất cả các yêu cầu quan trọng:

• Độ phân giải cao (khoảng 1 A _RMS ) bao phủ phạm vi dòng điện rộng.
• Băng thông rộng và tốc độ phản hồi nhanh cho việc chuyển mạch SiC.
• Khả năng chống nhiễu mạnh với dv/dt cao.

Bên cạnh những lợi ích về tích hợp, việc lựa chọn công nghệ cảm biến đóng vai trò quan trọng đối với hiệu suất hệ thống. So với các cảm biến Hall silicon có độ nhạy thấp và thường yêu cầu trục từ tính, công nghệ Hall composite (InAs) được sử dụng trong EZ232L của AKM cung cấp độ nhạy cao mà không cần trục, cho phép giảm kích thước và tăng tính linh hoạt.

Mặc dù cảm biến TMR cũng rất nhạy, nhưng chúng lại có những vấn đề cố hữu về độ tin cậy. Cụ thể, các xung dòng điện lớn hoặc tín hiệu thoáng qua có thể làm gián đoạn sự cân bằng từ tính, làm giảm độ chính xác và gây ra hiện tượng trễ. Ngược lại, cảm biến Hall có độ tin cậy và độ bền cao, duy trì hiệu suất ổn định ngay cả trong từ trường mạnh và điều kiện hoạt động khắc nghiệt, như thể hiện trong Bảng 1.

Những đặc điểm này khiến cảm biến Hall composite trở thành lựa chọn lý tưởng cho các hệ thống biến tần thế hệ tiếp theo, nơi độ chính xác, độ tin cậy và thiết kế nhỏ gọn là rất quan trọng.

Bảng 1. So sánh các cảm biến từ tính.

Bằng chứng về tính khả thi: Một mô-đun nguồn nhỏ gọn và hiệu quả cao.

Mô-đun nguồn được đề xuất, thể hiện trong Hình 1, trình bày một phương pháp mới để giảm kích thước và nâng cao hiệu suất, cung cấp một giải pháp toàn diện tích hợp chất nền oxit nhôm liên kết đồng trực tiếp (DCB) lên chất bán dẫn công suất SiC, mạch điều khiển cổng và khả năng cảm biến dòng điện.

Bằng cách sử dụng công nghệ PCB tiêu chuẩn và các linh kiện được chế tạo sẵn, thiết kế này mang lại sự linh hoạt và tiết kiệm chi phí cho sản xuất quy mô nhỏ đến trung bình. Khái niệm tích hợp này đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về các giải pháp nhỏ gọn và có khả năng mở rộng trong lĩnh vực điện tử công suất của xe điện.

IC hiệu ứng Hall EZ232L cho phép đo dòng điện không lõi với độ chính xác và độ phân giải cao, hỗ trợ cải thiện hiệu suất biến tần trên phạm vi hoạt động rộng. Việc gắn cảm biến trực tiếp trên bảng mạch in (PCB) bên dưới thanh dẫn cho phép đo dòng điện ổn định với băng thông rộng mà không làm tăng thêm kích thước hoặc độ phức tạp.

Một số cải tiến giúp mô-đun nguồn này trở nên lý tưởng cho các ứng dụng xe điện công suất cao. Thứ nhất, việc sử dụng thiết bị bán dẫn Infineon QDPAK làm mát từ phía trên, kết hợp với bảng mạch in (PCB) gần đó và tụ điện bypass DC, tạo ra độ tự cảm mạch cực thấp, khoảng 5 nH. Điều này rất quan trọng để chuyển mạch tốc độ cao ổn định trong khi vẫn duy trì điện áp quá tải thấp.

Hệ thống làm mát hai mặt cho phép kích thước nhỏ gọn, ngay cả khi tích hợp mạch điều khiển cổng và mạch cảm biến, đồng thời vẫn duy trì hiệu suất tản nhiệt tốt. Điều này có được nhờ khả năng tản nhiệt hiệu quả thông qua bộ tản nhiệt QDPAK và lớp cách nhiệt tích hợp cho từng thành phần.

Hơn nữa, khái niệm quản lý nhiệt giải quyết các vấn đề về độ phẳng bề mặt thường gặp với tản nhiệt gắn trên đỉnh, do các linh kiện được giữ giữa hai tản nhiệt. Thiết kế mạch in (PCB) này hỗ trợ chuyển mạch dòng điện mạnh mẽ và đáng tin cậy, ngay cả ở mức dòng điện rất cao, bằng cách tích hợp các mạch điều khiển và cổng gần thiết bị nguồn. Sự sắp xếp này giảm thiểu điện cảm ký sinh và đảm bảo chuyển mạch dòng điện sạch, điều này rất quan trọng đối với các hệ thống dựa trên SiC hoạt động ở điện áp cao.

Kết quả đo lường

Hình 2 thể hiện sơ đồ thiết lập thử nghiệm. Cảm biến dòng điện EZ232L được sử dụng cho các thử nghiệm sau. Ba thiết bị SiC bán cầu được sử dụng song song, và một bộ chuyển đổi DC-DC 15V được sử dụng làm nguồn cấp điện riêng cho mạch điều khiển cổng.

Một tụ điện màng ngoài 420 µF với điện trở nội ESR là 2,6 mΩ được sử dụng để ổn định nguồn điện DC.

Hình 3 thể hiện phép đo dòng điện xung thực tế. Đường màu hồng biểu thị tín hiệu tham chiếu i- _sn được thu bởi cuộn dây Rogowski, trong khi đường màu vàng hiển thị tín hiệu đầu ra từ cảm biến EZ232L v- _out. Thời gian đáp ứng đo được t-response _của EZ232L (ở dòng điện tải một nửa 150 A) là 808 ns, chứng tỏ khả năng theo dõi sự thay đổi dòng điện nhanh chóng với độ trễ tối thiểu.

Hình 4 thể hiện kết quả đo hiệu suất dv/dt để đánh giá ảnh hưởng của tốc độ thay đổi điện áp lên đầu ra của cảm biến. Mạch bán cầu được vận hành không tải ở điện áp 800 V, dẫn đến độ dốc điện áp là 98 V/ns. Điện áp đầu ra vout của cảm biến EZ232L _được theo dõi tại đầu nối BNC, tương ứng với đường màu vàng. Đường màu hồng biểu thị dòng điện đầu dò _isn , đường màu xanh nhạt là điện áp liên kết DC Vdc _, và đường màu xanh lá cây thể hiện điện áp tại điểm chuyển mạch vsn _. Những kết quả này xác nhận tính ổn định của cảm biến trong điều kiện dv/dt khắc nghiệt.

Bản tóm tắt

Bản trình diễn ý tưởng này cho thấy cách tích hợp mô-đun nguồn trên bảng mạch in (PCB) với cảm biến dòng điện không lõi có thể cung cấp một giải pháp nhỏ gọn, hiệu quả và ổn định nhiệt cho bộ biến tần điện thế hệ tiếp theo của xe điện (EV).

Bằng cách tích hợp hiệu suất điện, độ tin cậy nhiệt và độ chính xác cảm biến vào một nền tảng duy nhất, phương pháp này đặt nền tảng cho các thiết kế tiêu chuẩn hóa và tiết kiệm chi phí, đáp ứng nhu cầu của kiến ​​trúc xe điện cao áp trong tương lai. EZ232L mang lại nhiều ưu điểm cho các ứng dụng biến tần trong hệ thống truyền động xe và có vị thế tốt để hỗ trợ các nhu cầu trong tương lai.