Motor Sürücü - TÜBİTAK Efficiency Challenge Electric Vehicle

MOTOR SÜRÜCÜ TASARIMI
TÜBİTAK MAM Enerji Enstitüsü
Güç Elektroniği ve Kontrol Grubu
Osman TANRIVERDİ
Şubat 2017, Gebze
Elektrikli Araçlarda Motor Sürücüler
Öne çıkan özellikleri:
• Yüksek verim
• Yüksek güvenilirlik ve dayanıklılık
• Yüksek güç yoğunluğu( Watt/kg)
• Düşük hacim
• Düşük maliyet
• Anlık yüksek güç gereksinimi
karşılayabilme
• Çift yönlü çalışma
• Isıl yönetim
Örnek Motor Sürücüler
• Nissan Leaf Inverter
350VDC 80kW
Örnek Motor Sürücüler
• E-Golf
350VDC 80kW
Örnek Motor Sürücüler
• Honda Accord 2014
Örnek Motor Sürücüler
• 2010 Toyota Prius
60kW-350VDC
Örnek Motor Sürücüler
Tesla Model-S
600 VDC 130kW
Motor Sürücü Tasarımı
Motor Sürücü – Fonksiyonel Tasarım
 Genel özelliklerin belirlenmesi
 Güç katı elektriksel özelliklerin belirlenmesi
 Elektronik donanım özelliklerin belirlenmesi
 Mekanik özelliklerin belirlenmesi
FONKSİYONEL TASARIM
 Soğutma özelliklerinin belirlenmesi
Motor Sürücü – Güç Katı Tasarımı
 Güç elektroniği topolojisinin belirlenmesi
 Güç elemanlarının seçimi
 Benzetim çalışmalarının yapılması
GÜÇ KATI TASARIMI
 DC bara tasarımı
Motor Sürücü-Güç Elektroniği Tasarımı
•
Anahtarlama elemanları
•
DC bara kondansatörü
•
AC ve DC arası RC snubber
•
Giriş ve çıkış filtreler
•
DC bara pasif boşaltma direnci
•
Y kapasiteler
•
Sensörler (Motor faz&DC giriş)
Motor Sürücü-Eleman Seçimi
Güç katı elemanlarının seçiminde dikkat edilecek
parametreler:
•
•
•
•
Giriş DC gerilimi
Çıkış faz akımları
Anahtarlama frekansı
Fiziksel hacim
Motor Sürücü- Anahtarlama Elemanları
Elektrikli araçlar için tasarım girdileri:
•
•
•
•
•
•
Anlık yüksek güç gereksinimine dayanıklılık
Yüksek sıcaklıkta güvenilir bölgede çalışma
Düşük kayıplar
Yüksek güçte yüksek DC gerilime dayanma
Geniş sıcaklık aralığında çalışabilme
Titreşimli ortamda çalışabilme
Motor Sürücü- IGBT vs MOSFET
Motor Sürücü- IGBT vs MOSFET
Mosfet:
•
•
•
•
•
Gerilim kontrollüdür.
Yüksek frekans ile anahtarlanır. (>50kHz)
Düşük anahtarlama kayıpları vardır.
İletimsel direnci IGBT’lere göre yüksektir.
Maksimum değerler 1200V-60A
IGBT:
•
•
•
•
•
Gerilim kontrollüdür.
Düşük frekanslar ile anahtarlanır. (<20kHz)
Anahtarlama kayıpları yüksektir.
VCE saturasyon gerilimi düşüktür.
Maksimum değerler: 3300V-1500A
6500V- 750A
Motor Sürücü- SiC Güç Modülleri
•
•
•
•
•
•
•
•
SiC son yıllarda kullanılan yarı iletken malzemedir.
Daha yüksek güç yoğunluğu.
Daha yüksek sıcaklıklara dayanım.(200°C)
Daha düşük anahtarlama kayıpları.
Daha düşük iletimsel kayıplar.
Daha yüksek anahtarlama frekansı
Mosfetlerde daha düşük RDSon direnci
Mosfetlerde daha yüksek gerilim dayanımı (1200V)
Motor Sürücü - DC Bara Kondansatörü
5 ana görevi vardır:
•
•
•
•
•
Ripple akımlar için düşük endüktans akım yolu olmak
Gerilim dalgalanmalarını düşürmek
Anahtarlamadan kaynaklı EMI sorununu minimize etmek
DC bara kaçak endüktansı düşürmek
Enerjiyi depolayarak motorun ani güç ihtiyacını karşılamak
İstenen özellikleri:
• Yüksek kapasitans yoğunluğu
– En çok hacim kaplayan kısım DC giriş kapasiteleridir.
Hacimsel küçüklüğü sürücünün güç yoğunluğunu artırır.
•
•
•
•
Düşük endüktans (düşük ESL)
Düşük iç direnç (ESR)
Mekanik tasarıma uygun bağlantı şekli
Zorlanmalara karşı sağlamlık (Termal, elektrik, çevresel, mekanik)
Kondansatör çeşitleri
Alüminyum Elektrolitik Kondansatörler:
•
•
•
•
Diğer çeşitlere göre daha yüksek gerilimli modelleri mevcuttur. Gerilim artışı
hacimsel büyüklüğe neden olur.
Yüksek kapasitans yoğunluğuna sahiptir.
Kapasite değerine göre akım değeri daha düşüktür.
Yönlüdürler.
Film Kondansatörler:
•
•
•
Düşük kapasitans yoğunluğuna sahiptir.
Yüksek akım sağlayabilirler.
Yönsüzdürler.
Seramik Kondansatörler:
•
Yüksek kapasitans yoğunluğu ve yüksek akım değerlerini beraberinde
bulundururlar.
DC Bara Kondansatörü Seçimi
Motor sürücü tasarımında DC bara kondansatörü için 2 temel tasarım limiti
vardır:
1- Dayanabileceği akım dalgalılığı
2- DC bara gerilim değişimi
Bazı detaylar:
•
•
•
•
•
•
Elektrolitik kondansatörlerin akım değerleri düşük, kapasite değerleri
yüksektir. DC bara üzerinden geçen akım değeri yüksek olduğunda
paralellenirler. Fakat kapasite değeri katlarına çıktığı için depolanan
enerji artar.
DC bara boşaltma için güç katında ve elektronik donanımda ekstra bir
yapıya ihtiyaç duyulur.
Ekstra maliyet demektir.
Film kondansatörler aynı akım miktarına aynı hacimde daha az kapasite
değeri ile dayanırlar.
Sürücü tasarımlarında elektrolitik yerine film kondansatör
kullanıldığında daha az sayıda kondansatör yeterli olur.
Film kondansatör kullanmanın maliyeti daha fazladır.
DC Bara Kondansatörü - Hesaplamalar
Akım Dalgalılığı:
Gerilim Dalgalılığı:
Motor Sürücü- Sensörler
Sürücü seçiminde kritik parametreler:
•
•
•
•
•
•
•
Akım bilgisi
Yüksek frekans cevabı (High bandwidth) >100kHz
Galvanik izolasyon
İdeal fiziksel boyutlar
5V besleme
Geniş sıcaklık aralığında stabil çalışma
Elektromanyetik gürültülere karşı bağışıklık
Sensör Datasheet bilgilerinde kritik parametreler:
Motor Sürücü- DC Bara Tasarımı
•
•
•
•
•
•
Bir endüktans üzerinde depolanan enerji endüktansın değeriyle ve
endüktanstan geçen akımın karesi ile orantılıdır (½Li2).
Anahtarlamalı güç kaynaklarında anlık gerilim artışları ise bara endüktansı
değeri ve akımın zamanla değişmesi ile orantılıdır (Ldi/dt).
Bu sebeple güç dönüştürücülerinde bara endüktansının düşük tutulması
gerilim yükselmelerini ve endüktansta tutulan enerji miktarını azaltacaktır.
Bir iletkenin uzunluğu (boyu) arttıkça endüktansı da artmaktadır. Genişliği
(eni) arttıkça ise endüktansı azalmaktadır.
Bu sebeple motor sürücülerde lamine baralar kullanılır.
Plakaların kalınlığı endüktansı etkileyen bir diğer faktördür. Kalınlığın fazla
olması DC bara endüktansını artırır.
Ansys Q3D ile bara analizi
Lamine DC bara
High-power converters for renewable energy systems, Semikron
Motor Sürücü-Donanım Tasarımı
 Kavramsal tasarımın yapılması
 Eleman seçimlerinin isterlere göre yapılması
 Şematik tasarımın gerçeklenmesi
DONANIM TASARIMI
 PCB çizimlerinin yapılması
Donanım Tasarım-Kavramsal Tasarım
Donanım Tasarım-Şematik Tasarım
Besleme yapıları
Analog yapılar
Dijital yapılar
Donanım Tasarım-PCB Tasarım
Donanım Tasarımı-EMC Uygunluk Esasları
EMC kurallarına göre optimize edilmiş bir PCB 3 ana tasarım sürecinden geçmiştir:
•
Elemanların seçimi ve yerleşimi
•
Toprak (ground) ve besleme hatlarının kullanım şekli
•
Filtre seçimi
Genel Kurallar:
•
Elemanların yerleşimleri yapılmadan önce
fonksiyonel olarak gruplandırılmalıdır.
–
–
•
Sınıflandırma: Analog, Dijital (düşük hız), Dijital (yüksek hız)
İlgili elemanları birbirine yakın konumlandırma
Analog ve dijital devreler birbirinden izole edilmelidir. Toprak tek bir
noktadan bağlanmalıdır.
Donanım Tasarımı-EMC Uygunluk Esasları
•
•
•
•
•
Besleme mümkün olduğunca küçültülmelidir. Böylece daha yüksek
emisyonlardan kaçınılmış olur.
Beslemeler ve toprak düşük endüktans oluşturmak için plaka halinde
bağlanmalıdır.
Tüm yüksek frekanslı sinyal katmanı yüzeysel katmanlara en yakın olmalıdır.
Clock ya da yüksek hızlı sinyaller I/O ya da analog alandan uzak yerleştirilmelidir.
İşlemci besleme pinlerine en yakın yere yeterli kapasiteler (decoupling)
yerleştirilmelidir.
Donanım Tasarımı-EMC Uygunluk Esasları
•
•
•
•
Kart besleme girişlerine gerekli duyulan ‘’common-mode’’ ve ‘’diferansiyelmode’’ filtreler koyulmalıdır. Aynı zamanda yüksek kapasiteli elektrolitik
kapasite ile birlikte yüksek frekanslarda etkili olacak düşük kapasiteli film
kondansatör konulmalıdır.
Analog ve dijital yüzeyler ayrılmalıdır. Tek bir noktadan bağlantısı
yapılmalıdır.
Dijital toprağın sürücü şasesine bağlantısı yapılmalıdır.
Besleme entegreleri işlemcilerin olabilecek en yakınında olmalıdır.
Donanım Tasarımı-EMC Uygunluk Esasları
4 katlı PCB
6 katlı PCB
8 katlı PCB
Donanım Tasarımı-EMC Uygunluk Esasları
4 katlı PCB katmanları
Motor Sürücü – Isıl ve Mekanik Tasarım




ISIL ve MEKANİK TASARIM
Yarıiletken anahtar kayıpları
Termal model
Soğutucu analizleri
Sürücü CAD modellenmesi
Isıl Tasarım
• Anahtarlama elamanları termal olarak limitlidir.
• Doğru ısıl tasarım, anahtarlama elemanlarının güvenilir limitlerde
çalışması ve maliyet bakımından uygun eleman seçimi açısından
önemlidir.
• 3 önemli aşamadan oluşur:
– Anahtarlama elemanı güç kaybı hesaplama
– Anahtarlama elemanı jonksiyon sıcaklığı hesaplama
– Soğutucu tasarımı
Isıl Tasarım-Kayıplar
•
Anahtarlama elamanında 2 tür kayıp oluşur:
–
–
İletimsel kayıplar
Anahtarlama kayıpları
Parazitik kapasitansı düşük
İletimsel direnci düşük
Isıl Tasarım - Anahtarlama Durumları
 Hızlı anahtarlama (düşük
kapı direnci)
•
•
•
Yüksek di/dt ve dv/dt değerleri
Düşük anahtarlama gecikme
zamanları
Düşük anahtarlama kayıpları Eon/off
Yavaş anahtarlama (yüksek
kapı direnci)
•
•
•
Düşük di/dt ve dv/dt değerleri
Yüksek anahtarlama gecikme
zamanları
Yüksek anahtarlama kayıpları
Eon/off
Isıl Tasarım-Kayıp Hesaplama (Simülasyon)
• PowerSIM
Isıl Tasarım-Kayıp Hesaplama (Simülasyon)
Isıl Tasarım-Kayıp Hesaplama (Simülasyon)
• PLECS
Isıl Tasarım-Termal Model
Isıl Tasarım-Soğutucu Tasarımı
• 2 tip soğutma vardır:
•
•
•
– Hava soğutma
– Sıvı soğutma
Soğutma tasarımında amaç sistemin termal direncini minimum yapmaktır.
Ansys, Flux programları ile analiz yapılabilir.
Bazı üreticilerin internet sitesinden online tasarım yapılabilir.
Sıvı soğutma
PCB 3D gösterim
Flux programı ile soğutucu analizi
Mekanik Tasarım
Sürücüde mekanik tasarım için 3 girdi vardır:
• Ağırlık
• Fiziksel hacim
• Dayanıklılık
Kontrol kartı
&Sürücüler
Kasa
Sinyaller
Batarya
DC girişi
Soğutucu
Sensörler
MOSFET
DC Bara
Kondansatörleri
Motor Sürücü - Verim
Verim artırmak için:
•
•
•
•
•
•
Düşük iletim direnci olan anahtarlama elemanı seçmek
Anahtarlama zamanlarını optimize etmek
Frekansı olabildiğince düşük tutmak
Düşük ESL’e sahip kondansatör seçmek
Düşük ESR’a sahip kondansatör seçmek
Düşük endüktanslı DC bara tasarlamak
Fonksiyonel Testler
Çift darbe testi
EMC testi
Sürücü donanım testi
Güç katı ısınma testi
FONKSİYONEL TESTLER
Çift Darbe Testi (Double Pulse Test)
Anahtarlama elemanı ve sürücüsünün dinamik
davranışını farklı koşullarda incelemeye yarar. Bu
koşullar:
•
•
•
•
•
•
•
Farklı sıcaklık koşulları
Kısa devre durumu
Kapı direncinin değişimi
Anahtar kapama durumunda gerilim yükselme durumu
Diyot reverse recovery
Anahtarlama enerji ölçümü
DC bara endüktansı ölçme
Rogovski coil
EMC Testi
Elektromanyetik Uyumluluk
(Electromagnetic Compatibility) (EMC)
• Radiated
• Conducted
Elektromanyetik Bağışıklık
(Electromagnetic Immunity) (EMI)
• Radiated
• Conducted
Isınma Testi
4.185: 1 gram suyu ısıtmak için gerekli termal enerji
tmean: 1 kg suyun soğutucuyu dolandığı zaman
Kaynaklar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
A. Emadi, ‘’Advanced Electric Drive Vehicles’’, McMaster University
I. Husain, ‘’Electric and Hybrid Vehicles Design Fundamentals’’
L.Opsahl, ‘’Design and Testing of Voltage Source Inverter and Motor Control System for Electric Vehicle’’,
Norwegian University of Science and Technology
F. Fürst, ‘’Design of a 48 V three-phase inverter for automotive applications’’, Chalmers University of Technology
P. Ducluzeau, ‘’Advantages of SiC MOSFETs in Power Applications’’, Microsemi
Electric Drive Technologies, U.S. Department of Energy, Annual Report 2015
J. Marcinkowski, ‘’IGBT Devices And Modules Evolve To Address Inverter Design Challenges In Electric And HybridElectric Vehicles’’, International Rectifier, 2012
M. Salcone, ‘’ Selecting Film Bus Link Capacitors For High Performance Inverter Applications’’ , Electronic Concepts
Inc.
EMC and System-ESD Design Guidelines for Board Layout, Infineon, 2016
K. Yang, Transient Electro-Thermal Analysis of Traction Inverters, Department of Mechanical Engineering and the
School of Graduate Studies of McMaster University, 2014
J. Dunn, Determining MOSFET Driver Needs for Motor Drive Applications, Microchip Technology Inc
J. Dodge, Power MOSFET Tutorial, Advanced Power Technology, Application Note, 2006
TEŞEKKÜRLER