Para lograr un futuro con cero emisiones, la industria automotriz necesita una transformación urgente. Los fabricantes de automóviles deben acelerar el lanzamiento de modelos eléctricos diferenciados. NXP, en colaboración con Wolfspeed, presenta un diseño de referencia de inversor de tracción de 800V completamente validado, que ayuda eficazmente a los arquitectos de sistemas de vehículos eléctricos a superar múltiples obstáculos técnicos.

Análisis del módulo inversor de potencia

Para apoyar a los socios automotrices y acelerar la electrificación de los vehículos, NXP y Wolfspeed han lanzado conjuntamente un diseño de referencia de inversor de tracción de 800V completamente validado. Este diseño ayuda a los arquitectos de sistemas de vehículos eléctricos a superar eficazmente múltiples desafíos, incluida la selección de componentes adecuados para mejorar la eficiencia del sistema, cumplir con los estándares de certificación de seguridad funcional y garantizar la confiabilidad a largo plazo.

El diseño de referencia del inversor de tracción para vehículos eléctricos es una solución de sistema completa que integra el MCU S32K39 basado en Arm® Cortex®-M7, el chip base del sistema FS26 con seguridad funcional para gestión de energía, y el controlador de compuerta aislada de alto voltaje de última generación GD3162. Para completar el sistema, el diseño también incluye el módulo de potencia YM SiC de 1200V de seis grupos de Wolfspeed.

Solución completa de ECU basada en el diseño de referencia de NXP y el módulo de potencia SiC de Wolfspeed

Este diseño de referencia del inversor de tracción para vehículos eléctricos ha sido probado conjuntamente en el laboratorio de Múnich de Wolfspeed mediante un sistema hardware-in-the-loop (HIL). En condiciones de funcionamiento con batería de 800V, la potencia máxima superó los 300 kW.

Resultados de las pruebas con configuración HIL en el laboratorio

Diseño eficiente: Intensidad de compuerta dinámica para satisfacer diferentes necesidades de potencia

Los resultados de simulación en laboratorio muestran que, gracias a la función patentada del controlador de compuerta de alto voltaje de NXP, la eficiencia general mejoró aproximadamente un 1%. Esta función permite a los diseñadores ajustar dinámicamente la intensidad de la señal de accionamiento de la compuerta según las condiciones operativas en tiempo real, logrando así un equilibrio entre eficiencia, velocidad de conmutación y compatibilidad electromagnética. Según algunos modelos del Procedimiento Mundial Armonizado de Pruebas de Vehículos Ligeros (WLTP), en comparación con las soluciones tradicionales de vehículos eléctricos, este diseño podría aumentar la autonomía en aproximadamente 14 millas.

Resultados de la mejora de eficiencia energética

Diseñado con seguridad funcional en mente: Más allá de la documentación de dispositivos, documentación de seguridad funcional del sistema

En cuanto a la seguridad funcional (FuSa), el diseño de componentes conformes siempre prioriza la alta calidad y confiabilidad. La seguridad impregna cada etapa del diseño, fabricación, documentación y soporte técnico. En el diseño de referencia del inversor de tracción para vehículos eléctricos, se utilizan componentes clave que cumplen con el nivel de riesgo alto ASIL D, incluidos el MCU S32K396 de NXP, el chip base del sistema FS2633 y el controlador de compuerta de alto voltaje GD3162. Para simplificar aún más el proceso de integración del cliente, el diseño también proporciona algunos documentos FuSa, como el concepto de seguridad del sistema, que explica detalladamente desde los supuestos objetivos de seguridad hasta los requisitos de seguridad a nivel de hardware y software.

Creando un diseño excelente, confiable y duradero

La implementación del inversor de tracción de 800V requiere soluciones de carburo de silicio. En comparación con los IGBT tradicionales de silicio, el material SiC es inherentemente más confiable y duradero. Wolfspeed ha aprovechado la oportunidad para integrar tecnología de empaquetado avanzada en su encapsulado YM de grado automotriz, mejorando aún más la durabilidad del sistema.

El módulo de potencia YM SiC de 1200V de seis grupos utiliza un diseño de sustrato de aletas de cobre con refrigeración directa. Al sumergir las aletas directamente en el refrigerante, no solo se simplifica el ensamblaje del sistema, sino que también se mejora significativamente el rendimiento térmico. Además, el módulo utiliza un sustrato de nitruro de silicio, un material cerámico resistente con una excelente resistencia al choque térmico y al desgaste, que disipa eficazmente el calor generado por el chip, reduciendo así la temperatura de funcionamiento del sistema. Otra característica innovadora del empaquetado es la tecnología de adhesión de chip por sinterización. Este avanzado método de unión de chips establece una conexión sólida entre el chip y el sustrato de nitruro de silicio, garantizando una excelente conductividad térmica y durabilidad mecánica, admitiendo una mayor potencia de salida y proporcionando un rendimiento de ciclo térmico superior. La tecnología de aletas de cobre con refrigeración directa, junto con la tecnología de adhesión de chip por sinterización, mejora el rendimiento térmico y la vida útil del sistema.

El módulo YM utiliza grapas superiores de cobre en lugar de los cables de unión tradicionales, lo que mejora significativamente la capacidad de carga de corriente y la vida útil del ciclo de potencia del módulo. Al mismo tiempo, su disposición optimizada de terminales reduce eficazmente la inductancia del encapsulado, disminuye los picos de voltaje y logra pérdidas de conmutación ultrabajas. Para reducir el riesgo potencial de fallos mecánicos, el módulo YM de grado automotriz utiliza un encapsulado de resina epoxi rígida. En comparación con los encapsulados basados en gel, el compuesto de moldeo de resina epoxi no solo proporciona una excelente resistencia a la humedad, sino que también ofrece una mayor integridad estructural. Al combinar la adhesión de chip por sinterización, las grapas de cobre y el compuesto de moldeo de resina epoxi, la vida útil del módulo se extiende hasta tres veces en comparación con productos competidores similares.

Módulo de potencia YM-SiC de seis grupos de Wolfspeed

Estas avanzadas tecnologías de empaquetado brindan garantía al módulo de potencia YM3 con certificación AQG324, capaz de enfrentar los desafíos de operar en entornos automotrices exigentes. Este diseño asegura la consistencia del rendimiento y otorga al módulo una durabilidad excepcional.

Productos de NXP

El diseño de referencia del inversor de tracción de 800V creado por NXP en colaboración con Wolfspeed marca un paso importante hacia la electrificación de la industria automotriz. Este diseño de referencia aborda los desafíos clave que enfrentan los diseñadores de vehículos eléctricos, incluyendo la mejora de la eficiencia energética, la seguridad funcional y la confiabilidad a largo plazo, garantizando que el rendimiento de los vehículos eléctricos pueda igualar o incluso superar al de los vehículos de combustible. Gracias a la tecnología de ajuste dinámico de la intensidad de la compuerta y los avanzados módulos de potencia de carburo de silicio, este diseño de referencia se convierte en una herramienta importante para los diseñadores de vehículos eléctricos, ayudando a crear modelos eléctricos de alta calidad, alta eficiencia y seguros, asegurando al mismo tiempo un rendimiento excepcional durante todo su ciclo de vida.