ชิ้นส่วนสำหรับระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง

.

 

ชิ้นส่วนสำหรับระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าประสิทธิภาพสูง

Jonas Gronvall and Peter Slama, Infineon Technologies

 

อุปกรณ์ขับเกต (gate driver) ที่มาพร้อมคุณสมบัติอันครบถ้วน และเซนเซอร์จับตำแหน่งโรเตอร์ประสิทธิภาพสูง

 

การเปลี่ยนผ่านจากเทคโนโลยีของระบบขับเคลื่อนแบบดั้งเดิมมาสู่ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า (Drivetrain electrification) ทำให้เกิดความต้องการเซมิคอนดักเตอร์ที่มีประสิทธิภาพและมาตรฐานสูงในระดับที่ใช้กันในอุตสาหกรรมยานยนต์ นั่นทำให้ความเชี่ยวชาญในด้านเซมิคอนดักเตอร์และด้านอิเล็กทรอนิกส์ยานยนต์เป็นปัจจัยสำคัญในการประสบความสำเร็จกับตลาดยานยนต์แบบไฮบริดและยานยนต์ไฟฟ้า หรือ (H) EV เกิดใหม่ ที่มี Infineon เป็นผู้ผลิตชิ้นส่วนอุปกรณ์สำคัญๆ ในการออกแบบยานยนต์ H(EV) ที่ให้ประสิทธิภาพสูงอย่างครบวงจร

รูปที่ 1: ชิ้นส่วนอุปกรณ์ที่กำลังมีบทบาทสำคัญมากในอุตสาหกรรมยานยนต์ไฮบริดและยานยนต์ไฟฟ้า หรือ (H)EV – เพาเวอร์โมดูล, ไมโครคอนโทรลเลอร์ และไดรเวอร์ประสิทธิภาพสูง

ส่วนที่เป็นหัวใจหลักของยานยนต์ (H)EV มีอยู่หลายส่วนด้วยกัน อินเวอร์เตอร์หลัก (main inverter), DC/DC คอนเวอร์เตอร์ (DC/DC converter), อินเวอร์เตอร์/คอนเวอร์เตอร์เสริม (auxiliary inverters/converters) ส่วนชาร์จแบตเตอรี่และบริหารจัดการพลังงาน เซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องมีความน่าเชื่อถือมากๆ เช่น เพาเวอร์โมดูล (power module), ไมโครคอนโทรลเลอร์ (microcontroller), ไดรเวอร์ (driver), เซนเซอร์ต่างๆ เป็นต้น (ภาพที่ 1) โดยชิ้นส่วนอุปกรณ์ต่างๆ เหล่านี้จำเป็นต้องรองรับคลาส (class) ของอินเวอร์เตอร์ได้ในช่วงกว้าง, ต้องช่วยให้การออกแบบระบบมีขนาดเล็ก ประหยัดต้นทุน และให้ประสิทธิภาพสูง เป้าหมายในการออกแบบที่กล่าวมานี้เป็นสิ่งที่จะเกิดขึ้นจากการสนับสนุนโดยเพาเวอร์โมดูลในตระกูล HybridPACK ซึ่งรองรับกำลังขับขนาดต่างๆ สำหรับ HEV และ EV (ตั้งแต่ 10kW ถึง 150kW) EiceDRIVER อุปกรณ์ขับเกต (gate driver) ที่มาพร้อมคุณสมบัติอันครบถ้วนในการขับและควบคุม IGBT อุปกรณ์ในตระกูลที่ว่านี้ประกอบด้วยส่วนขับเกต (IGBT gate drive) แบบ single channel และ double channel ซึ่งแยกการเชื่อมโยงทางไฟฟ้าและสื่อสัญญาณได้แบบสองทิศทาง, AURIX Family ไมโครคอนโทรลเลอร์เซอร์ 32-บิต ประสิทธิภาพสูง ที่ได้รับการพัฒนามาสำหรับระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าที่ประหยัดพลังงาน โดยจะทำงานร่วมกับระบบเซนเซอร์จับตำแหน่งเพื่อเป็นส่วนป้อนกลับแบบปิด (closed-loop feedback) สำหรับระบบควบคุมการทำงานของมอเตอร์ที่มีความซับซ้อน เช่น Field Oriented Control (FOC)

ส่วนขับเกตประสิทธิภาพสูง

1EDI2001AS และ 1EDI2002AS เป็นโซลูชั่นใหม่ล่าสุดของ EiceDRIVER ที่จะเข้ามามีบทบาทสำคัญและช่วยให้การออกแบบอินเวอร์เตอร์มีต้นทุนการผลิตที่มีประสิทธิภาพ รวมทั้งการรองรับข้อกำหนดด้านความปลอดภัย ASIL C/D functional safety certification (ISO26262) ในยานยนต์ HEV และ EV แอพพลิเคชันที่เป็นเป้าหมายของ 1EDI2001AS และ 1EDI2002AS ก็คือ อินเวอร์เตอร์ภายในยานยนต์ (H)EV ซึ่งใช้งาน IGBT ขนาด 400V, 600V และ 1200V โดยไดรเวอร์ทั้ง 2 รุ่นนี้ จะช่วยแยกการเชื่อมโยงทางไฟฟ้า การสื่อสัญญาณแบบสองทิศทาง รองรับฟังก์ชัน Active Short-Circuit (ASC) และช่วยเพิ่มความสามารถในการสวิตช์ของ IGBT ทั้งคู่สามารถเชื่อมเข้ากับบัส SPI มาตรฐาน เพื่อการควบคุมและวิเคราะห์สถานะการทำงาน มีความเร็วในการสื่อสารข้อมูล 2Mbd และฟังก์ชั่นด้านความปลอดภัย ได้แก่ ส่วนป้องกันกระแสไฟฟ้าเกิน (over-current protection), ส่วนติดตามสถานะการทำงานของเพาเวอร์ซัพพลาย, ออสซิลเลเตอร์ (oscillator), สัญญาณขับที่ขาเกต (gate signal) และสถานะเอาท์พุต (output stage) นอกจากนั้นยังมีส่วน System-level diagnosis ที่จะรวมเอารูปแบบการทดสอบต่างๆ มาใช้เพื่อยืนยันความถูกต้องของอุปกรณ์ เช่น Weak Turn-On (WTO) เป็นต้น

1EDI2010AS สมาชิกใหม่ในตระกูล EiceDRIVER ที่มีส่วนเอดีซี (ADC) ติดตั้งมาในตัวสำหรับวัดค่าทางฟากทุติยภูมิ (secondary logic) สามารถนำมาใช้ประเมินระดับของแรงดัน DC-link, ใช้วัดค่าอุณหภูมิของ IGBT ด้วยเซนเซอร์ NTC หรือ Temperature diode โดยสามารถจะอ่านค่าการวัดได้จากพอร์ต SPI

1EBN1001AE เป็น single-channel IGBT booster ซึ่งสามารถทำงานเข้ากับผลิตภัณฑ์ในตระกูล 1EDI20xxAS ของ Infineon ผลิตด้วยเทคโนโลยีไบโพลาร์ประสิทธิภาพสูงเพื่อใช้แทนภาคบัฟเฟอร์ที่เดิมมักสร้างขึ้นด้วยอุปกรณ์พื้นฐาน (discrete device) นำมาต่อเป็นวงจร ถูกผลิตออกมาในตัวถัง PG-DSO-14 ออกแบบมาเป็นพิเศษให้สามารถรับมือกับความร้อนได้เป็นอย่างดี ทำให้สามารถจะขับ (drive) และรับ (sink) กระแสไฟฟ้าสูงสุดได้ถึง 15A เหมาะสำหรับอินเวอร์เตอร์ส่วนใหญ่ที่ใช้กันยานยนต์ และสามารถรองรับฟังก์ชัน active short-circuits และ active clamping ได้เช่นกัน

การใช้งานส่วนขับเกท (gate driver) และบูสเตอร์ (booster) ของ Infineon สามารถช่วยประหยัดพื้นที่บนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) ได้ถึง 20% และยังช่วยลดจำนวนอุปกรณ์ประกอบลงได้มากถึง 60 ตัว เมื่อเทียบกับโซลูชั่นที่ใช้กันในปัจจุบัน

ระบบวัดตำแหน่งของโรเตอร์ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับมอเตอร์ที่ไม่มีแปรงถ่าน

Brushless motors (มอเตอร์ชนิดที่ไม่มีแปรงถ่าน) เป็นอุปกรณ์ขับเคลื่อนหลักในยานยนต์ (H)EV มอเตอร์ประสิทธิภาพสูงเหล่านี้จำเป็นต้องทำงานร่วมกับระบบวัดตำแหน่งของโรเตอร์ซึ่งต้องทำงานอย่างรวดเร็วและแม่นยำ เนื่องจากพารามิเตอร์ที่อ่านได้จากเซนเซอร์เหล่านี้จะส่งผลกระทบโดยตรงกับพฤติกรรมของมอเตอร์, รวมทั้งแรงบิด และประสิทธิภาพที่จะได้รับ

การจับตำแหน่งของโรเตอร์โดยการใช้เซนเซอร์  electromechanical resolver (ขดลวดเหนี่ยวนำ) และแม่เหล็ก มักจะก็มีข้อจำกัดอยู่หลายอย่าง (เช่น การให้เอาท์พุตที่เป็นสัญญาณอะนาลอก, วงจรมีความซับซ้อนและราคาแพง, มีข้อจำกัดเรื่องขนาด, การสร้างสนามแม่เหล็กรบกวน, ความคลาดเคลื่อนของค่าการวัดที่ได้ เป็นต้น) ไมโครคอนโทรลเลอร์ 32-บิตในตระกูล AURIX สามารถเข้ามาช่วยจัดการกับข้อจำกัดเหล่านี้ด้วยส่วนการทำงานที่มีในตัว เช่น delta-sigma ADC ที่สามารถใช้สร้างสัญญาณพาหะ (carrier signals) และสามารถใช้การเอ็นโคดด้วยทำงานของซอฟต์แวร์ (software-based encoding) จึงไม่จำเป็นต้องใช้ resolver IC ภายนอกอีกต่อไป และช่วยให้ภาพรวมของระบบมีต้นทุนที่ลดลงถึง 20%

ในขณะที่ เซนเซอร์วัดมุมชนิดที่ใช้วัสดุ magneto resistant (xMR) เช่น AMR (Anisotropic-Magneto-Resistance) หรือ GMR (Giant-Magneto-Resistance) ที่มีข้อดีในเรื่องความแม่นยำสูงและมีความไวต่ำช่วยให้ทนทานต่อความคลาดเคลื่อนตำแหน่ง

การนำเอาระบบเซนเซอร์ชนิดที่ว่านี้ xMR มาใช้งาน จำเป็นต้องคำนึงถึงอิทธิพลจากการรบกวนทางสนามแม่เหล็ก ที่มักมีแหล่งกำเนิดมาจาก เช่น ชิ้นส่วนอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังไฟฟ้า, ขวดเหนี่ยวนำ, ตัวเก็บประจุ, สายเคเบิ้ล และสนามแม่เหล็กที่มาจากมอเตอร์ไฟฟ้า เป็นต้น เมื่อไม่นานมานี้ Infineon ได้แสดงตัวอย่างของการนำเอาโมดูลเซนเซอร์มาติดตั้งเข้ากับปลายแกนเพลา โดยทั้งหมดให้ผลการทำงานที่ดีเยี่ยม แกนเพลาถูกล้อมรอบด้วยวงจรแม่เหล็ก (magnetic circuit) ทำหน้าที่เป็นเกราะป้องกันการรบกวนของสนามแม่เหล็กได้อย่างสมบูรณ์แบบ จึงไม่จำเป็นต้องชีลด์ป้องกันสนามแม่เหล็กเพิ่มเติมซึ่งนั่นส่งผลโดยตรงกับต้นทุนที่ต้องจ่าย โดยส่วนของวงจรแม่เหล็กถูกรวมเข้าเป็นหนึ่งเดียวกับปลายแกนเพลาเช่นเดียวกับส่วนของโมดูลเซนเซอร์ (ดังรูปที่ 2) ซึ่งต้องการพื้นที่ด้านนอกแกนเพลาเพียงเล็กน้อยเท่านั้น

รูปที่ 2: การรวมโมดูลเซนเซอร์เข้าที่ส่วนปลายแกนเพลา ช่วยให้ได้ระบบที่มีความทนทานต่อการรบกวนจากสนามแม่เหล็กและประหยัดพื้นที่ในติดตั้ง

ในเรื่องความแม่นยำของระบบ ผลลัพธ์ที่ได้ออกนั้นดีมากทีเดียว: ค่าความผิดพลาดสูงสุดของมุมการวัด (ดังรูปที่ 3) จากเซนเซอร์ GMR ที่ใช้ทดสอบน้อยกว่า 0.3° ในขณะที่ผลการทดสอบเซนเซอร์ AMR ออกมาน้อยกว่า 0.14° โดยความแม่นยำที่ว่านี้มีเสถียรภาพตลอดทั้งช่วง Safe Operating Area ที่มีขอบเขตขนาดใหญ่ ความคลาดเคลื่อนของตำแหน่ง (misplacement) ในหน่วยมิลลิเมตรยังคงให้การตรวจจับมุมในระดับที่แม่นยำสูงอยู่

รูปที่ 3: TLE5309D เป็นเซนเซอร์จาก Infineon ที่ใช้เทคโนโลยี AMR และ GMR รวมอยู่ในหนึ่งแพคเกจที่ให้ค่าการวัดที่มีความแม่นยำสูง

ในหลายกรณี เซนเซอร์จับตำแหน่งโรเตอร์ยังคงมีบทบาทสำคัญในด้านความปลอดภัย ตามมาตรฐาน ISO26262 โดย Infineon ได้นำเสนอเซนเซอร์วัดมุม (angle sensors) ในรูปแพคเก็จเซนเซอร์คู่ (dual-sensor) ที่มีเซนเซอร์ 2 ชุด รวมอยู่ในแพคเก็จเดียวกัน เพื่อใช้เป็นชุดสำรองในกรณีที่จำเป็น เป็นการเพิ่มความน่าเชื่อถือให้กับระบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเซนเซอร์รุ่น TLE5309D ซึ่งมีคุณสมบัติตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยขั้นสูงสุด ด้วยการใช้เทคโนโลยีของเซนเซอร์ AMR และ GMR มาช่วยเสริมการทำงานกัน บวกกับการมีเซนเซอร์ชุดสำรองเพื่อให้เกิดความปลอดภัยมากที่สุด  www.infineon.com/hybrid

 

 

 

Leave a Comment