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電動(dòng)汽車(chē)電源架構(gòu)向分布式轉(zhuǎn)換,隔離偏置電源將如何應(yīng)對(duì)

時(shí)間:2021-10-08 17:33:41來(lái)源:電子工程世界

導(dǎo)語(yǔ):?汽車(chē)行業(yè)正在向電動(dòng)汽車(chē)過(guò)渡,預(yù)計(jì)到2025 年,將有多達(dá)30%的新車(chē)銷(xiāo)售為電動(dòng)汽車(chē)。解決續(xù)航里程和充電焦慮將是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的關(guān)鍵,隨著電池容量的提升,快速充電站的普及,如今500公里續(xù)航的電動(dòng)車(chē)已經(jīng)可以接近一般燃油車(chē)的駕駛體驗(yàn)了。

  電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)一步挑戰(zhàn)將包含成本因素,作為電動(dòng)汽車(chē)最重要的組成部分——電池的售價(jià)正在不斷降低。同時(shí),電動(dòng)汽車(chē)中的其他部分也需要進(jìn)一步降低成本,從而加速電動(dòng)車(chē)的普及。

  “TI的目標(biāo)是降低汽車(chē)制造商的生產(chǎn)成本和消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格。TI的技術(shù)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)可以幫助客戶(hù)集成動(dòng)力系統(tǒng),以降低成本、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高功能安全和增強(qiáng)可靠性。動(dòng)力系統(tǒng)集成還能夠通過(guò)在更小的解決方案中實(shí)現(xiàn)更高的功率來(lái)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)范圍,提高系統(tǒng)效率,并提高功率密度?!钡轮輧x器汽車(chē)系統(tǒng)工程與市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)總監(jiān)Ryan Manack表示。

  TI專(zhuān)注于幫助OEM降低總成本,并縮短原始設(shè)備制造商 (OEM) 的盈利周期。如今,TI針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)所推崇的理念是按成本設(shè)計(jì) (DTC design to cost),它專(zhuān)注于動(dòng)力總成集成,即電力電子組件放置得更緊密,減少組件數(shù)量,并將它們集成到更少的盒子中。

  Ryan以日前TI推出的隔離偏置電源為例,介紹了TI DTC概念的具體落地。

  從隔離說(shuō)開(kāi)

  電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)包含了高壓電路、數(shù)字控制通信等不同總線,因此為了確保安全性以及信號(hào)的高可靠性,需要使用大量的隔離器件應(yīng)用于數(shù)字接口,又或者是高壓與低壓之間的隔離電源。

  為了實(shí)現(xiàn)高集成的隔離,TI開(kāi)發(fā)了兩種集成技術(shù),一種是使用SIO2進(jìn)行隔離,應(yīng)用在數(shù)字通道中。另外一種則是集成超薄變壓器,這兩種技術(shù)都已成功商用,其中SiO2技術(shù)應(yīng)用于包括數(shù)字隔離器、隔離式接口、隔離放大器、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離式ADC等市場(chǎng),集成變壓器技術(shù)應(yīng)用于隔離式DC/DC模塊及集成電源的信號(hào)隔離器中。

  TI的隔離技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于包括數(shù)字隔離器、隔離電源、隔離接口、隔離ADC、隔離放大器以及隔離柵極驅(qū)動(dòng)等市場(chǎng),并滿(mǎn)足車(chē)規(guī)及工業(yè)應(yīng)用中的不同需求,并且可提供包括基本型(3kVRMS)和增強(qiáng)型(5kVRMS)在內(nèi)的不同隔離等級(jí)的產(chǎn)品。

牽引逆變器

以牽引逆變器為例,有眾多涉及到隔離的子系統(tǒng)

  電動(dòng)汽車(chē)電源架構(gòu)正在發(fā)生變化

  隨著對(duì)安全性、功率密度和電磁干擾(EMI)的要求越來(lái)越嚴(yán)格,涌現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn),為每個(gè)關(guān)鍵負(fù)載配備獨(dú)立偏置電源的分布式電源架構(gòu)就是其中之一。

  傳統(tǒng)方法是集中式電源架構(gòu),它使用一個(gè)中央變壓器和一個(gè)偏置控制器來(lái)為所有柵極驅(qū)動(dòng)器生成偏置電壓。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器電源架構(gòu)

  集中式架構(gòu)成本較低,因而這種解決方案歷來(lái)廣受歡迎,但該架構(gòu)難以管理故障和調(diào)節(jié)電壓,而且布局具有挑戰(zhàn)性。集中式架構(gòu)也容易受到更多噪聲的影響,并且一個(gè)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的元件又高又重。同時(shí),集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余,如果偏置電源中的單個(gè)元件出現(xiàn)故障,則可能導(dǎo)致大型系統(tǒng)故障。

  分布式架構(gòu)具有更高的可靠性和安全性,可為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配一個(gè)與其靠近的專(zhuān)用的、本地的、方便調(diào)節(jié)的偏置電源,以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境中的可靠性要求,因此可以提供冗余并提高系統(tǒng)對(duì)單點(diǎn)故障的反應(yīng)能力。例如,如果與柵極驅(qū)動(dòng)器配套的其中一個(gè)偏置電源失效,其他五個(gè)偏置電源及其配套的柵極驅(qū)動(dòng)器仍可正常運(yùn)行。如果六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器中有五個(gè)仍可正常運(yùn)行,電機(jī)便能以良好的控制方式減速和關(guān)閉,或者可能繼續(xù)運(yùn)行。使用這種電源系統(tǒng)設(shè)計(jì),車(chē)輛中的乘客甚至都不會(huì)意識(shí)到出現(xiàn)問(wèn)題。

  另外也有半分布式架構(gòu)介于二者之間。

  也正是由于分布式架構(gòu)具有更多的隔離偏置電源,因此成本、設(shè)計(jì)難度等與傳統(tǒng)集中式架構(gòu)完全不同。

  生成隔離式電源的傳統(tǒng)方法是在反激式、Fly-Buck 或推挽式拓?fù)渲惺褂弥绷?直流轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)變壓器。次級(jí)側(cè)的脈動(dòng)信號(hào)經(jīng)整流和濾波后生成隔離式直流電源。基于光耦合器的初級(jí)側(cè)反饋實(shí)現(xiàn)了線路和負(fù)載調(diào)節(jié)。在某些情況下,當(dāng)直流/直流轉(zhuǎn)換器以開(kāi)環(huán)配置運(yùn)行時(shí),LDO 用于對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后置調(diào)節(jié)。這種分立式方法的缺點(diǎn)是,完整的解決方案(變壓器和其它組件)在電路板上占用了大量的空間。此外,設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定且高效的隔離式電源也具有挑戰(zhàn)性。

  TI的解決方案是將直流/直流轉(zhuǎn)換器與微型變壓器集成在一個(gè)封裝中。通過(guò)此類(lèi)解決方案解決了系統(tǒng)工程師面臨的幾個(gè)設(shè)計(jì)難題,可以大幅度減少電路板面積:集成式解決方案的第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是減少了電路板面積。功率級(jí)、變壓器、整流二極管、隔離反饋(有時(shí)還包括數(shù)字化數(shù)據(jù)隔離通道)都被集成在同一器件中,因此解決方案的尺寸顯著減小。除了減小表面積之外,使用平面變壓器還可使集成式解決方案的 z 維度(高度)比分立式變壓器更低,分立式變壓器的厚度會(huì)是平面變壓器的兩到三倍。同時(shí),高度集成還提供了簡(jiǎn)潔而可靠的設(shè)計(jì),集成式解決方案使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單,因?yàn)橛脩?hù)可在芯片上集成線路/負(fù)載調(diào)節(jié)的反饋和電源的所有保護(hù)機(jī)制(如過(guò)載和短路保護(hù)、熱關(guān)斷和軟啟動(dòng))。帶有笨重變壓器的電路板在振動(dòng)測(cè)試中表現(xiàn)不佳,尤其是針對(duì)汽車(chē)系統(tǒng)來(lái)說(shuō),復(fù)雜的振動(dòng)與沖擊環(huán)境可能會(huì)引起變壓器的脫落或虛焊。因此,集成式解決方案還有助于提高板級(jí)可靠性。

TI的平面高集成變壓器技術(shù)

TI的平面高集成變壓器技術(shù),可實(shí)現(xiàn)諸多優(yōu)勢(shì)

  1.5W隔離偏置電源IC

  集成變壓器由于尺寸受限,一般只提供較小的功率。而TI新推出的尺寸更小、精度更高的隔離式直流/直流偏置電源IC UCC14240-Q1,可提供高達(dá)1.5W的功率。集成了具有專(zhuān)有架構(gòu)的變壓器和直流/直流控制器,可實(shí)現(xiàn)較高的效率和極低的輻射,隔離性能為3000-VRMS。

  UCC14240-Q1厚度為3.55mm,尺寸小巧,因此設(shè)計(jì)人員可以將電源解決方案的體積減小一半,用一半的尺寸支持更大的電量。薄型設(shè)計(jì)也支持將模塊安裝在印刷電路板的任意一側(cè),為工程師帶來(lái)充分的靈活性。

  這款雙路輸出電源模塊的效率為60%,比傳統(tǒng)的偏置電源高一倍,這使得功率密度翻倍,而且有助于提高汽車(chē)行駛里程。在105°C的環(huán)境溫度下,UCC14240-Q1的功率超過(guò)1.5W,支持工程師在高頻率下驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開(kāi)關(guān)。

  該模塊集成片上設(shè)備保護(hù),該器件全面集成了軟啟動(dòng)保護(hù),故障監(jiān)控、過(guò)流保護(hù)、過(guò)功率保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)。還提供了一個(gè)專(zhuān)用的電源引腳,可使MCU感知輸出調(diào)節(jié)。該引腳還可為系統(tǒng)提供故障報(bào)警。

  UCC14240-Q1結(jié)合使用3.5pF的初級(jí)到次級(jí)電容,可降低高速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的EMI,并輕松實(shí)現(xiàn)超過(guò)150V/ns的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 性能,這對(duì)于高頻率的SiC和GaN應(yīng)用尤為重要。

  UCC14240-Q1具有軟開(kāi)關(guān)、展頻調(diào)制、屏蔽和低寄生等特性,使設(shè)計(jì)更容易滿(mǎn)足國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)25和CISPR 32電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn),從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間,同時(shí)軟開(kāi)關(guān)可以減少死區(qū)時(shí)間從而提高系統(tǒng)效率。

UCC14240-Q1

UCC14240-Q1示意圖

  UCC14240-Q1采用集成閉環(huán)控制,在-40°C至150°C內(nèi)可實(shí)現(xiàn)±1.0%的精度。與硅IGBT相比,SiC MOSFET輸出特性曲線的線性區(qū)及飽和區(qū)沒(méi)有明顯過(guò)渡,發(fā)生短路或過(guò)流時(shí)電流上升仍然很快,這就意味著保護(hù)電路需要更快的響應(yīng)速度來(lái)進(jìn)行保護(hù)。針對(duì)SiC MOSFET的短路保護(hù)需求,需要選擇檢測(cè)速度快,響應(yīng)時(shí)間短的芯片進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)。此外,根據(jù)IGBT的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),每次開(kāi)通時(shí),需求設(shè)定一段消隱時(shí)間來(lái)避免由于開(kāi)通前期的Vce電壓從高位下降所導(dǎo)致的DSAET誤觸發(fā)。消隱時(shí)間的需要,又對(duì)本只有3us的SiC MOSFET的短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)提出更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn),需要驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT相關(guān)參數(shù)具有更高的精度,以實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)設(shè)計(jì)。同時(shí),也需要更優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路的PCB設(shè)計(jì),保證更小的環(huán)路寄生電感的影響。

  由于不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)需要不同的開(kāi)通和關(guān)斷電壓等級(jí),因此UCC14240-Q1具有靈活的VDD和VEE輸出,可以根據(jù)產(chǎn)品需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用

  如圖所示,不同場(chǎng)景中的輸出電壓及功率不同,豐富的調(diào)節(jié)功能可以滿(mǎn)足所有驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性。

  除了在汽車(chē)中,包括智能電網(wǎng)(如直流充電樁)、工業(yè)機(jī)器人等對(duì)隔離和可靠性要求較高、同時(shí)又對(duì)PCB面積要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域,其逆變器偏置電源都可以采用UCC14240-Q1。

  此外,TI還推出具有單輸出集成變壓器的500mW 5kVrms 隔離式直流/直流IC UCC12051-Q1,同樣可以實(shí)現(xiàn)高隔離性,低EMI等特性。

  其他隔離電源解決方案

  無(wú)論是具有外部電源開(kāi)關(guān)的控制器、將一個(gè)控制器與多個(gè)電源開(kāi)關(guān)集成的轉(zhuǎn)換器,還是將多個(gè)控制器、電源開(kāi)關(guān)和變壓器集成為一體的電源模塊,都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。從而滿(mǎn)足不同功率等級(jí),不同拓?fù)湓趦?nèi)的需求。

隔離電源

  如圖所示,推挽式、Fly-Buck、半橋及LLC等拓?fù)湫问骄梢詫?shí)現(xiàn)隔離電源,但LLC可以采用更小的初級(jí)到次級(jí)電容,并且效率更高,成本更低且CMTI性能更好,EMI性能也更好,因此非常適合集中式的隔離電源。

  TI的UCC25800-Q1用于隔離式偏置電源的開(kāi)環(huán) LLC 變壓器驅(qū)動(dòng)器,集成了開(kāi)關(guān)功率級(jí)、控制和保護(hù)電路,以簡(jiǎn)化隔離偏置電源設(shè)計(jì)。LLC拓?fù)湓试S設(shè)計(jì)使用漏感更高但寄生一次到二次電容更小的變壓器。這種低電容變壓器設(shè)計(jì)使通過(guò)偏置變壓器的共模電流注入降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得UCC25800-Q1成為各種汽車(chē)應(yīng)用中隔離偏置電源的理想解決方案,以最大限度地降低由高速開(kāi)關(guān)設(shè)備引起的EMI噪聲。UCC25800-Q1采用軟開(kāi)關(guān)操作,以進(jìn)一步降低EMI噪聲。

  寫(xiě)在最后

  消費(fèi)者永遠(yuǎn)希望以更低價(jià)格購(gòu)買(mǎi)排放量更低、續(xù)航里程更長(zhǎng)、安全性和可靠性更高且功能更多的車(chē)輛。只有電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步,才能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)OEM的不斷嚴(yán)苛的需求,包括電源架構(gòu)的創(chuàng)新及其相關(guān)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源。

  改用分布式電源架構(gòu)大大提高了在隔離式高壓環(huán)境中的可靠性,但面臨的挑戰(zhàn)是額外的元件會(huì)導(dǎo)致對(duì)重量和尺寸的要求更高。完全集成的電源解決方案可以節(jié)省系統(tǒng)級(jí)空間并實(shí)現(xiàn)輕量化。OEM可以靈活選擇。也正因此,隔離式電源可以有不同選擇,但需要了解輸出數(shù)量、調(diào)節(jié)要求、輸出功率、隔離等級(jí)、工作溫度和輸入電壓范圍等系統(tǒng)級(jí)規(guī)格。為此,工程師可以根據(jù)具體隔離電源應(yīng)用要求,從而選擇出成本更低、可滿(mǎn)足所有系統(tǒng)要求的解決方案。

  除了滿(mǎn)足分布式架構(gòu)的隔離電源UCC14240-Q1之外,TI還提供其他隔離拓?fù)鋺?yīng)用的控制器,無(wú)論是效率、EMI、CMTI、集成度、可靠性等方面都處于業(yè)界一流水平,并且真正從DTC角度出發(fā),通過(guò)更具性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品和方案,滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求。

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