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Autore: Nosa Egiebor – Product Marketing Engineer, High-Voltage Power, Texas Instruments
I progettisti di veicoli elettrici possono aumentare la sicurezza e l’affidabilità dei sistemi a inverter di trazione monitorando la soglia di tensione del gate.
Quando un consumatore acquista un veicolo, dà per scontato che gli ingegneri abbiano progettato il prodotto con la dovuta cura per renderlo sicuro. Per raggiungere il livello di sicurezza necessario, in particolare per quanto riguarda la norma ISO 26262 (Organizzazione Internazionale per la Normazione), i sottosistemi interni di un veicolo, come gli inverter di trazione, devono essere dotati di sistemi di diagnostica interna e di caratteristiche di protezione che contribuiscano a rilevare le potenziali modalità di guasto.
Un sottosistema inverter a cui occorre dedicare particolare attenzione è lo stadio di potenza. Oltre al modulo di alimentazione, lo stadio di potenza comprende dispositivi integrati a semiconduttori, come l’alimentazione a polarizzazione isolata, i driver del gate e gli interruttori di alimentazione. Lo schema di commutazione del modulo contribuisce a trasferire la potenza in CC proveniente dalla batteria convertendola in potenza in AC per alimentare il motore del veicolo elettrico in modo efficiente e affidabile. Per quanto riguarda il pilotaggio di questi interruttori di alimentazione, sono numerosi i motivi per monitorarne lo stato o le condizioni ed esistono modi diversi per farlo.
L’importanza delle protezioni e della diagnostica degli interruttori
Poiché i moduli di alimentazione con transistor metallo-ossido-semiconduttore a effetto di campo (MOSFET) al carburo di silicio (SiC) o con transistor bipolari a gate isolato (IGBT) sono così importanti per il funzionamento e l’efficienza di un veicolo, i progettisti devono considerare attentamente come pilotarli in modo corretto. L’implementazione di un’analisi completa dei meccanismi di guasto è necessaria per creare un prodotto sicuro e affidabile.
Un sistema a inverter deve gestire un lungo elenco di scenari di guasto. Ad esempio, la presenza di un cortocircuito su un interruttore di alimentazione potrebbe indicare che tale interruttore di alimentazione è giunto a fine vita. Quando la corrente che attraversa l’interruttore di alimentazione supera il suo valore nominale, la dissipazione della potenza e del calore in eccesso attraverso il dispositivo potrebbe causare danni irreparabili sia all’interruttore di alimentazione sia al sistema a inverter. È importante rilevare e risolvere questa situazione il più rapidamente possibile affinché l’interruttore di alimentazione rimanga entro i suoi limiti d’esercizio.
Il circuito di protezione più comune e pensato per rilevare questo tipo di guasto è detto protezione di desaturazione (desat) e può essere integrato in un driver del gate. La Figura 1 mostra l’implementazione di un tipico circuito «desat», che monitora la tensione di stato attivo di un interruttore (la tensione collettore-emettitore [VCE] in IGBT oppure la tensione da drain a source [VDS] in FET SiC) per rilevare una soglia prestabilita (VDESAT). Una situazione in cui VCE o VDS sono maggiori della VDESAT fa scattare la funzione desat, e il driver del gate spegne in sicurezza l’IGBT o il FET SiC per evitare danni all’interruttore.
Figura 1: Tipica implementazione di un circuito «desat» (fonte: Texas Instruments)
Un altro scenario si presenta quando l’uscita del driver del gate non coincide con il suo segnale di ingresso; questa irregolarità richiede un rilevamento immediato in modo che il sistema a inverter possa spegnersi in sicurezza. L’inclusione di una funzione di monitoraggio della tensione del gate per rilevare se la tensione del gate è allo stesso livello del segnale di ingresso che giunge al die di uscita può contribuire a determinare la presenza di un guasto nel percorso di comunicazione o nella barriera di isolamento. L’implementazione di sistemi di protezione e diagnostica avanzati aiuta a stabilire un elevato grado di sicurezza e affidabilità in un veicolo.
Perché è importante il monitoraggio di VGTH
Gli obiettivi e i requisiti del sistema a inverter determinano in definitiva i sistemi diagnostici e di protezione integrati in esso. Una misura importante per contribuire a valutare lo stato di salute del modulo di alimentazione per la sua intera durata di vita consiste nell’includere il monitoraggio della soglia di tensione del gate (VGTH). Nel loro paper «Analisi di variazioni di Vth in IGBT esposti a sollecitazione termica per un migliore monitoraggio delle condizioni in sistemi di conversione di potenza automotive», Syed Huzaif Ali e Bilal Akin hanno mostrato come una notevole variazione della VGTH nel tempo sia un indicatore precoce dei guasti di interruttori di alimentazione.
La Figura 2 mostra due dispositivi soggetti a cicli di potenza ad alta temperatura. Nel momento in cui il dispositivo rappresentato dalla curva rossa è soggetto a un aumento di temperatura, si guasta e la tensione di soglia aumenta drasticamente. Sebbene questo aumento di tensione sia un evento di guasto, lo spostamento graduale della tensione di soglia nel tempo può dare anche un comportamento di commutazione indesiderato, come maggiori perdite di commutazione, che potrebbe indicare la necessità di manutenzione del veicolo. In generale, il monitoraggio della VGTH contribuisce a evitare errori catastrofici.
Figura 2: Variazione percentuale della VGTH dopo migliaia di cicli (fonte: «Analisi di variazioni di Vth in IGBT esposti a sollecitazione termica per un migliore monitoraggio delle condizioni in sistemi di conversione di potenza automotive» [paper tecnico])
Un unico metodo per il monitoraggio della VGTH
Il driver del gate isolato UCC5870-Q1 e conforme alla norma ISO 26262 di Texas Instruments integra una nuova funzionalità di monitoraggio della VGTH in cui il driver del gate controlla lo stato di salute del rispettivo interruttore di alimentazione. L’integrazione di questo sistema diagnostico nel driver del gate riduce le dimensioni, il peso e il costo complessivi del sistema rispetto a un’implementazione discreta.
La funzione di monitoraggio della VGTH misura la tensione di soglia del gate del transistor di potenza durante l’accensione. Una fonte di corrente costante carica la capacità del gate (CG) dell’interruttore di alimentazione, che porta a un aumento graduale della tensione del gate (VG). Una volta che il canale inizia a condurre, la VG è mantenuta naturalmente al livello della tensione di soglia (VGTH) mentre interruttore di alimentazione è in configurazione a diodo.
Dopo un tempo di spegnimento (tdVGTHM), il convertitore analogico/digitale integrato campiona la VG e memorizza la misurazione in un registro. Il microcontroller utilizza questa misurazione per valutare lo stato di salute dell’interruttore di alimentazione. Il monitoraggio della VGTH contribuisce a confermare l’affidabilità dello stadio di potenza.
Conclusione
Poiché l’elettrificazione dei veicoli è relativamente nuova per i consumatori nel settore automobilistico, questi ultimi potrebbero essere preoccupati per la sicurezza e l’affidabilità dei veicoli ibridi o elettrici come alternativa ai veicoli con motore a combustione interna. L’inclusione di adeguati sistemi interni per diagnosi e protezione contribuisce a garantire che un veicolo sia idoneo per l’immissione sul mercato e l’utilizzo su strada.
