Для достижения будущего с нулевыми выбросами автомобильная промышленность нуждается в кардинальной перестройке. Автопроизводители должны ускорить выпуск дифференцированных электромобилей. Компании NXP и Wolfspeed совместно представили полностью проверенную эталонную конструкцию тягового инвертора на 800 В, которая эффективно помогает системным архитекторам электромобилей преодолевать множество технических препятствий.

Анализ модуля силового инвертора

Для поддержки автомобильных партнеров и ускорения электрификации автомобилей NXP и Wolfspeed совместно разработали полностью проверенную эталонную конструкцию тягового инвертора на 800 В. Эта конструкция помогает системным архитекторам электромобилей эффективно решать множество проблем, включая выбор подходящих компонентов для повышения эффективности системы, соответствие стандартам функциональной безопасности и обеспечение долгосрочной надежности.

Эталонная конструкция тягового инвертора для электромобилей представляет собой полное системное решение, объединяющее микроконтроллер S32K39 на базе Arm® Cortex®-M7, базовый кристалл системы FS26, соответствующий функциональной безопасности для управления питанием, и новейший высоковольтный изолированный драйвер затвора GD3162. Для завершения системы в конструкцию также включен шестикомпонентный SiC-силовой модуль YM от Wolfspeed на 1200 В.

Полное решение блока управления на основе эталонной конструкции NXP и SiC-силового модуля Wolfspeed

Данная эталонная конструкция тягового инвертора для электромобилей прошла совместные испытания в лаборатории Wolfspeed в Мюнхене с помощью установки "аппаратное обеспечение в контуре" (HIL). При работе от батареи на 800 В пиковая мощность превысила 300 кВт.

Результаты испытаний лабораторной установки HIL

Эффективная конструкция: динамическая сила затвора для удовлетворения различных потребностей в мощности

Результаты лабораторного моделирования показывают, что благодаря собственной функции высоковольтного драйвера затвора от NXP общая эффективность повысилась примерно на 1%. Эта функция позволяет разработчикам динамически регулировать силу сигнала драйвера затвора в зависимости от текущих условий эксплуатации, обеспечивая баланс между эффективностью, скоростью переключения и электромагнитной совместимостью. Согласно некоторым моделям Всемирной гармонизированной процедуры испытаний легких автомобилей (WLTP), данная конструкция может увеличить запас хода примерно на 14 миль по сравнению с традиционными решениями для электромобилей.

Результаты повышения энергоэффективности

Конструкция с учетом функциональной безопасности: выход за рамки данных устройств, системные данные функциональной безопасности

В области функциональной безопасности (FuSA) проектирование соответствующих компонентов всегда основывается на принципах высокого качества и надежности. Безопасность пронизывает каждый этап: разработку, производство, документацию и техническую поддержку. В эталонной конструкции тягового инвертора для электромобилей используются ключевые компоненты, соответствующие высокому уровню риска ASIL D, включая микроконтроллер S32K396 от NXP, базовый кристалл системы FS2633 и высоковольтный драйвер затвора GD3162. Для дальнейшего упрощения процесса интеграции для клиентов также предоставляются некоторые документы FuSa, например, концепция системной безопасности, подробно объясняющая требования безопасности от постулируемых целей безопасности до аппаратного и программного уровней.

Создание надежной и долговечной конструкции высшего класса

Реализация тягового инвертора на 800 В требует использования решений на основе карбида кремния. По сравнению с традиционными кремниевыми IGBT, материал SiC по своей сути более надежен и долговечен. Wolfspeed удачно воспользовалась возможностью, интегрировав передовые технологии корпусирования в свой автомобильный корпус YM, тем самым повысив долговечность системы.

Шестикомпонентный SiC-силовой модуль YM на 1200 В использует конструкцию с медным ребристым основанием прямого охлаждения. Погружение ребер непосредственно в охладитель не только упрощает сборку системы, но и значительно улучшает тепловые характеристики. Кроме того, модуль использует подложку из нитрида кремния — прочного керамического материала с исключительной устойчивостью к тепловым ударам и износу, эффективно отводящего тепло, выделяемое чипом, снижая рабочую температуру системы. Еще одной инновационной особенностью корпусирования является технология пайки чипов. Этот передовой метод соединения создает прочную связь между чипом и подложкой из нитрида кремния, обеспечивая превосходную теплопроводность и механическую долговечность, поддерживая более высокую выходную мощность и обеспечивая отличные характеристики теплового цикла. Технология прямого охлаждения медными ребрами в сочетании с технологией пайки чипов повышает тепловые характеристики и срок службы системы.

Вместо традиционных проволочных соединений YM-модуль использует медные зажимы со стороны верхнего контакта, что значительно увеличивает токопроводящую способность и ресурс циклирования мощности модуля. Кроме того, оптимизированная компоновка выводов эффективно снижает индуктивность корпуса, уменьшает выбросы напряжения и обеспечивает сверхнизкие потери при переключении. Для снижения потенциального риска механических отказов автомобильный YM-модуль использует корпусирование из твердой эпоксидной смолы. По сравнению с корпусами на основе геля, эпоксидный формовочный компаунд обеспечивает не только превосходную влагостойкость, но и большую структурную целостность. Сочетание технологии пайки чипов, медных зажимов и эпоксидного формовочного компаунда позволяет продлить срок службы модуля в три раза по сравнению с аналогичными конкурентными продуктами.

Шестикомпонентный SiC-силовой модуль YM от Wolfspeed

Эти передовые технологии корпусирования обеспечивают поддержку прошедшего сертификацию AQG324 силового модуля YM3, который способен эффективно справляться с задачами эксплуатации в суровых автомобильных условиях. Данная конструкция обеспечивает стабильность характеристик и придает модулю исключительную долговечность.

Продукция NXP

Эталонная конструкция тягового инвертора на 800 В, созданная совместно NXP и Wolfspeed, знаменует собой важный шаг в электрификации автомобильной промышленности. Эта эталонная конструкция решает ключевые проблемы, стоящие перед разработчиками электромобилей, включая повышение энергоэффективности, функциональную безопасность и долгосрочную надежность, гарантируя, что электромобили смогут сравниться или даже превзойти автомобили с ДВС по производительности. Благодаря технологии динамического регулирования силы затвора и передовым силовым модулям на основе карбида кремния, эта эталонная конструкция становится важным инструментом для разработчиков электромобилей, помогая создавать высококачественные, энергоэффективные и безопасные модели, сохраняя при этом выдающуюся производительность на протяжении всего срока службы.