Un meilleur rendement de traction rend les VE plus attractifs

par Jonathan Liao, Responsable Ligne de produits Senior, onsemi.

Figure 1 : Vue d'ensemble d'un convertisseur de traction

« L’angoisse de la panne sèche » du fait d'une autonomie limitée, reste un obstacle à l'adoption des véhicules électriques pour de nombreux consommateurs. L'augmentation de la densité des cellules de batteries, et l'amélioration du rendement des processus de conversion d'énergie, sont essentielles pour accroître l'autonomie des véhicules afin d'atténuer cette angoisse.

Un domaine clé où le rendement est essentiel est l'onduleur de traction, qui convertit la tension continue de la batterie en courant alternatif nécessaire à l’alimentation des moteurs.

Dans cet article technique, nous expliquons comment les IGBT VE-Trac™ et les modules au carbure de silicium (SiC) permettent d’obtenir des densités de cellules supérieures et d’assurer une conversion plus efficace pour étendre l'autonomie du VE, et contribuer ainsi à surmonter les préoccupations des consommateurs.

Les onduleurs de traction sont au cœur des véhicules électriques, puisqu’ils assurent la liaison entre les batteries et les moteurs de traction. Ils convertissent la tension continue de la batterie en courant alternatif pour les moteurs, en général avec des niveaux de puissance allant de 80 kW à 150 kW voire plus. La tension de batterie dépend de la taille de la chaine de cellules et se situe en général autour de 400 VCC, même si le 800 VCC se généralise car il permet de réduire l’intensité, et donc de limiter les pertes.




Bien que le coût de la batterie lithium-ion (Li-Ion) ait diminué de 40% ces trois dernières années, et même de 90% ces dix dernières années, elle reste le composant le plus coûteux d'un VE. La baisse des prix devrait se poursuivre jusqu'en 2025 environ, date à laquelle les prix se stabiliseront. Compte tenu du coût de ce composant, il est impératif que chaque joule d'énergie stockée soit utilisé aussi efficacement que possible afin d'atténuer le coût, ainsi que la taille, du pack batterie.

La transmission électrique fournit un couple et une accélération incroyables. La réactivité de l’ensemble onduleur plus moteur électrique est en rapport direct avec les « sensations » procurées par le véhicule et, par conséquent, avec l'expérience de conduite et la satisfaction du conducteur.

Rôle des dispositifs de commutation
Un onduleur de traction comprend généralement trois demi-ponts, chacun d'entre eux étant formé d'une paire de MOSFET ou d'IGBT appelés commutateurs « high-side » (côté haut) et « low side » (côté bas). Il y a un demi-pont pour chaque phase du moteur, ce qui en fait donc trois en tout, avec des drivers de grille contrôlant chaque dispositif de commutation.

Le rôle principal de ces commutateurs est d'activer et de désactiver la tension et le courant continus de la batterie haute tension, afin de générer le courant alternatif pour le ou les moteurs qui propulsent le véhicule. Il s'agit d'une application exigeante compte tenu des tensions, des courants et des températures opérationnelles en présence, car les batteries 800 V peuvent fournir une puissance supérieure à 200 kW.

Les onduleurs de traction basés sur des systèmes 400 V nécessitent des semi-conducteurs de puissance dont la tension VDS est comprise entre 650 V et 750 V, tandis que les solutions 800 V ont besoin d’une tension VDS de 1 200 V. Dans une application typique, ces composants de puissance doivent pouvoir supporter des courants alternatifs de pointe supérieurs à 600 A pendant 30 secondes, et même un courant maximal de 1 600 A pendant environ 1 milliseconde (ms).

En outre, les transistors de commutation et les drivers de grille utilisés doivent être capables de gérer ces énormes charges, tout en maintenant un rendement élevé de l'onduleur de traction.

Les IGBT ont été les dispositifs de choix pour les applications d'onduleur de traction, car ils peuvent supporter des tensions élevées, commuter rapidement, offrir un rendement élevé, et répondre aux objectifs de coût ambitieux de l'industrie automobile.

Commutateurs et densité de puissance
Les automobiles modernes sont incroyablement exiguës - du moins en ce qui concerne la place disponible pour la technologie. Cela signifie que la densité de puissance est un paramètre important, en particulier pour tout ce qui concerne le groupe motopropulseur. L’encombrement et le poids doivent être minimisés, car tout poids supplémentaire réduit l'autonomie du véhicule.

Outre la taille physique des composants, le facteur déterminant pour l’encombrement est le rendement de l’onduleur. Plus son rendement est élevé, moins il dégage de chaleur, et plus il peut être compact.

Les commutateurs (qu'il s’agisse d’IGBT ou de MOSFET) ont l'impact le plus important sur les pertes qui génèrent de la chaleur. Une valeur de résistance à l'état passant (RDS(ON)) inférieure réduit les pertes statiques, tandis qu’une diminution de la charge de grille (Qg) réduit les pertes dynamiques ou de commutation et permet aux systèmes de commuter plus rapidement. Si la vitesse de commutation est plus élevée, la taille des composants passifs, comme les composants magnétiques par exemple, peut être considérablement réduite, et ainsi contribuer à augmenter la densité de puissance.

La température opérationnelle maximale des commutateurs peut également influer sur la densité de puissance car, si les dispositifs peuvent fonctionner à des températures plus élevées, un refroidissement moindre est nécessaire, ce qui réduit encore la taille et le poids de l’ensemble.

Recours à des modules pour augmenter la densité de puissance
Dans de nombreuses conceptions d'onduleurs de traction, les composants clés sont souvent individuels et en boîtier discret. Si cette approche est parfaitement valable, elle ne permet pas d'obtenir la conception la plus compacte, ni la densité de puissance la plus élevée.

Une autre approche consiste à utiliser des modules préconfigurés pour former les demi-ponts nécessaires à l'onduleur de traction. L'une de ces solutions est le module de puissance intégré (PIM) VE-Trac d'onsemi, spécialement conçu pour les applications de véhicules électriques, notamment les onduleurs.

Les modules de puissance VE-Trac Dual intègrent une paire d'IGBT 1 200 V à tranchée Ultra Field Stop (UFS) en configuration demi-pont. Ces dispositifs utilisent la technologie robuste et éprouvée des IGBT à tranchée UFS, qui offre une densité de courant élevée, une protection robuste contre les courts-circuits, et la tension de blocage accrue nécessaire aux applications 800 V. Ces IGBT intelligents disposent de capteurs de courant et de température intégrés, ce qui les rend uniques et permet une réaction plus rapide des fonctions de protection contre les surintensités (OCP pour Over Current Protection) et les surchauffes, offrant ainsi une solution plus robuste.

Ces dispositifs sont montés sous forme de puces nues sur substrat alumine (Al2O3) DBC (Direct Bond Copper, ou cuivre à liaisons directe) offrant une capacité d’isolement de 4,2 kV (de base), avec cuivre et refroidissement sur les deux faces. L'absence de fils de liaison double les durées de vie prévues par rapport aux modules en boîtier similaire utilisant des liaisons à fil. Les IGBT sont accompagnés d'une diode qui réduit les pertes d’énergie et permet une commutation douce, qui améliore le rendement global.

Grâce à l'intégration de puces nues présentant une empreinte minuscule, les modules VE-Trac Dual sont beaucoup plus faciles à intégrer dans une conception compacte. Le fonctionnement à haut rendement, les faibles pertes et le refroidissement double face facilitent la gestion thermique, tandis qu'une température opérationnelle permanente de 175°C permet de délivrer une puissance crête plus élevée aux moteurs de traction.

Un seul module VE-Trac Dual est normalement nécessaire pour chaque phase d'un convertisseur de traction, et la conception mécanique de ces modules se prête bien à leur utilisation dans des applications multiphases, en offrant une évolutivité facile, par exemple en connectant plusieurs modules en parallèle pour fournir plus de puissance à chaque phase.

Si les modules VE-Trac à base d’IGBT suffisent pour la plupart des applications automobiles, une version améliorée à base de MOSFET SiC est également disponible pour les applications les plus exigeantes. Elle utilise la toute dernière technologie à bande interdite large (WBG pour Wide Band Gap) pour offrir des gains de taille et de rendement supplémentaires aux conceptions d'onduleurs de traction.

Résumé
L'un des grands défis technologiques de notre époque consiste à faire en sorte que les véhicules électriques puissent parcourir davantage de kilomètres entre deux recharges. Poussés par les obligations gouvernementales et le désir d'améliorer notre environnement, ces véhicules sont appelés à connaître une adoption rapide au cours des prochaines années.

Cette adoption sera d’autant plus rapide si l'on parvient à rendre les VE plus attrayants en réduisant « l’angoisse de la panne sèche » des consommateurs. Le meilleur moyen d'y parvenir est d'accroître le rendement, ce qui permet non seulement d'augmenter le rayon d’action, mais aussi la densité de puissance et la fiabilité.

Les commutateurs à semi-conducteurs sont essentiels pour atteindre ces rendements supérieurs et, bien que les dispositifs discrets offrent d'excellentes performances, la solution ultime est un PIM conçu spécifiquement pour l'automobile, comme le module VE-Trac d'onsemi. Ces conceptions à base d’IGBT offrent le rendement, les performances et l'évolutivité nécessaires, dans un format compact qui simplifie la conception thermique.

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