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

Tesla Model-S 600 VDC 130kW

Örnek Motor Sürücüler

Motor Sürücü Tasarımı

Motor Sürücü – Fonksiyonel Tasarım

FONKSİYONEL TASARIM

Genel özelliklerin belirlenmesi

Güç katı elektriksel özelliklerin belirlenmesi

Elektronik donanım özelliklerin belirlenmesi

Mekanik özelliklerin belirlenmesi

Soğutma özelliklerinin belirlenmesi

Motor Sürücü – Güç Katı Tasarımı

Güç elektroniği topolojisinin belirlenmesi

Güç elemanlarının seçimi

Benzetim çalışmalarının yapılması

DC bara tasarımı

GÜÇ KATI TASARIMI

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

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- IGBT vs MOSFET

• 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- SiC Güç Modülleri

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)

Motor Sürücü - DC Bara Kondansatörü

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.

Kondansatör çeşitleri

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:

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- Sensörler

• 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.

Motor Sürücü- DC Bara Tasarımı

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

PCB çizimlerinin yapılması

DONANIM TASARIMI

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.

• 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 ‘’diferansiyel-mode’’ 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

Donanım Tasarımı-EMC Uygunluk Esasları

Motor Sürücü – Isıl ve Mekanik Tasarım

Yarıiletken anahtar kayıpları

Termal model

Soğutucu analizleri

Sürücü CAD modellenmesi

ISIL ve MEKANİK TASARIM

• 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

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

• PowerSIM

Isıl Tasarım-Kayıp Hesaplama (Simülasyon)

Isıl Tasarım-Kayıp Hesaplama (Simülasyon)

• PLECS

Isıl Tasarım-Kayıp Hesaplama (Simülasyon)

Isıl Tasarım-Termal Model

• 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.

Isıl Tasarım-Soğutucu Tasarımı

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

Batarya DC girişi

Sinyaller

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

Elektromanyetik Uyumluluk (Electromagnetic Compatibility) (EMC) • Radiated • Conducted

Elektromanyetik Bağışıklık (Electromagnetic Immunity) (EMI) • Radiated • Conducted

EMC Testi

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 Hybrid-Electric 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