下一代电动汽车系统需要分布式架构驱动,如何为隔离式驱动器挑选偏置电源?

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随着汽车市场蓬勃发展,电动汽车(EV)和混合动力电动汽车(HEV)正在不断演进,如今电动汽车销量为 560 万辆,到2025年,其在全球汽车销量的占比将增至 30%。与此同时,电动汽车中的电子设备同样也在发生变化,在这些车辆的整体构造和功能方面,越来越多的电子设备发挥着重要作用。但是,司机并没有改变。他们仍然希望自己的电动汽车和混合动力电动汽车能够顺利地行驶更远,变得更经济实惠,充电速度更快,并确保他们的安全。那么设计人员如何才能以更低的成本为他们提供更多服务?

电动汽车的核心是高压电池和电动机,高性能和高效的电动机是内燃机的替代品。与内燃机相比,电动机在较低的速度下可以产生更大的扭矩,它们更简单易用,运动部件更少,这使得它们更容易维修,还可以作为发电机以在制动时获取能量。

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不过,控制电动机需要先进的电子器件,确保平稳安全的行驶。随着对安全性、功率密度和电磁干扰(EMI)的要求越来越严格,涌现了不同的电源架构来应对这些挑战,包括为每个关键负载配备独立偏置电源的分布式电源架构。

电动汽车中的传统电源架构

汽车设计工程师不断努力提高效率和可靠性,根据电动汽车的电源要求为某些电源架构设计方案,并降低电动汽车动力总成系统(在整车质量中占比最大)的重量。隔离式栅极驱动器是系统的关键部分,它通过开启和关闭绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN)等器件来控制在电机中流动的能量。 

图1所示的传统方法是集中式电源架构,它使用一个中央变压器和一个偏置控制器来为所有栅极驱动器生成偏置电压。

图1:混合动力电动汽车/电动汽车牵引逆变器中的集中式架构

集中式架构成本较低,因而这种解决方案历来广受欢迎,但这种架构可能难以管理故障和调节电压,而且布局具有挑战性。集中式架构也容易受到更多噪音的影响,并且一个系统区域内的元件又高又重。

最后,随着可靠性和安全性成为重中之重,集中式架构的电源缺乏冗余,如果偏置电源中的单个元件出现故障,则可能导致大型系统故障。部署分布式架构可防止电源故障,从而打造更可靠的系统,而这些隔离式栅极驱动器也需要合适的偏置电源来控制SiC FET或IGBT。

通过分布式架构实现高可靠性

如果在汽车以65英里/小时的速度行驶时,牵引逆变器电机中的一个小型电子元件出现故障,大家肯定都不希望车辆突然发动机失灵或完全停止。动力总成系统内的安全冗余和备用电源已成为确保安全性和可靠性的标配。

分布式电源架构可为每个栅极驱动器分配一个与其靠近的专用的、本地的、方便调节的偏置电源,以满足电动汽车应用环境中的可靠性要求,因此可以提供冗余并提高系统对单点故障的反应能力。例如,如果与栅极驱动器配套的其中一个偏置电源失效,其他五个偏置电源及其配套的栅极驱动器仍可正常运行。如果六个栅极驱动器中有五个仍可正常运行,电机便能以良好的控制方式减速和关闭,或者可能继续运行。使用这种电源系统设计,车辆中的乘客甚至都不会意识到出现问题。

外部变压器偏置电源(如反激式和推挽式控制器)很高、很重且占用面积较大,阻碍了分布式架构在轻型电子设备中的使用。电动汽车电源系统需要更先进的器件,即更小的集成变压器模块,德州仪器 (TI)日前推出了尺寸更小、精度更高的1.5W隔离式直流/直流偏置电源模块UCC14240-Q1,使用专有集成变压器技术,可帮助设计人员将电源解决方案的尺寸减小一半,以便用于电动汽车、混合动力汽车、电机驱动系统和并网逆变器等高压环境。

德州仪器(TI)汽车系统工程与营销团队总监 Ryan Manack 介绍道:“UCC14240-Q1隔离式直流/直流偏置电源模块可将变压器和元件集成到一个经优化的、具有低高度的平面磁性元件模块解决方案中,将平面变压器集成在集成电路尺寸的封装中,可以大幅减小电源系统的尺寸、降低其高度并减轻其重量。”

德州仪器(TI)汽车系统工程与营销团队总监 Ryan Manack

将变压器和隔离集成在电源模块中的好处

集成变压器和隔离的好处在于,可提供简单控制和较低的初级到次级电容,提高密集和快速开关应用中的共模瞬变抗扰度(CMTI)。将初级和次级侧控制与隔离完全集成,可在一个器件中实现稳定的±1.3%隔离式直流/直流偏置电源。通过实现1.5W的输出功率,甚至在高达105°C的温度下也是如此,支持工程师在高频率下驱动IGBT、SiC和GaN开关。

UCC14240-Q1可以为分布式架构中的栅极驱动器供电,如图2所示。

图2:使用UCC14240-Q1的电动/混动汽车牵引逆变器中的分布式架构

另外,UCC14240-Q1在尺寸和效率方面的优势,可实现更高的功率密度和系统效率,使汽车在每次充电后行驶更远的里程。“其厚度为3.55mm,设计人员可以将电源解决方案的体积减小一半,用一半的尺寸支持更大的电量。薄型设计也支持将模块安装在印刷电路板的任意一侧,为工程师带来充分的灵活性。” Ryan介绍到,这款双路输出电源模块的效率为60%,比传统的偏置电源高一倍,这使得功率密度翻倍,而且有助于提高汽车行驶里程。

图3所示案例中,将推挽转换器与UCC14240-Q1进行比较后,发现反激式和推挽式转换器通常以低于中波(AM)无线电频段的开关频率工作,开关频率为550kHz及以下。这种较低的开关操作频率,加上高压系统需要的爬电距离和电气间隙,导致变压器相对较大。在本例中,额定电压的有效值为2000VRMS的推挽变压器使用12mm×15mm的封装面积和11mm的高度。

“TI的集成变压器技术为系统带来了明显的尺寸效益。” Ryan说到,变压器集成在电路板内部,使解决方案与传统方案相比,降低了7mm以上,低至3.55mm。此外,TI解决方案的额定绝缘电压更高,为3000VRMS,绝缘性能经由100%的生产测试和独立的第三方认证。

图3:在IC尺寸的封装中实现隔离式功率传输

据介绍,UCC14240-Q1优化的不仅仅是尺寸,还有系统集成。推挽和反激式变压器需要几个分立元件来构建电路,包括整流器、缓冲器和电压调节器。TI的集成设计将这些功能融入电路板中,消除了对复杂外部组件的需求。只需安装一个去耦电容和电压+电流设置电阻即可使用。不再需要反激式和推挽式电路中常见的平衡漏感和一个到二个电容的变压器设计,为设计工程师节省了大量的开发时间。另外,该款产品还可将外部组件的数量缩减超过60%,简化了供应链和采购流程。

在分布式架构中驱动动力总成系统的其他注意事项

电动汽车需要高标准的可靠性和安全性,而这种要求会渗透到各个功率转换电子设备上。元件必须以受控且经过验证的方式在125°C及以上的环境温度下运行。隔离式栅极驱动器需要是“智能的”,包括多项安全和诊断功能。为系统中的栅极驱动器和其他电子设备供电的低功率偏置电源也需要改进,包括实现低EMI。

UCC14240-Q1利用TI的集成变压器技术,结合使用3.5pF的初级到次级电容变压器,可降低高速开关产生的EMI,并轻松实现超过150V/ns的CMTI。而反激式和推挽式电路中常用的变压器存在初级到次级电容的问题,大概从10pF到35pF,因为它们必须限制电路中的漏感并将绕组推得更近。TI的集成变压器技术限制了这种电容,当与软开关控制方案结合使用时,可以限制EMI。而且,这种低电容对于支持 SiC 和 GaN 等快速开关应用至关重要,它们可以支持高达150伏每纳秒的压摆率。

偏置电源靠近分布式架构中的隔离式栅极驱动器,可确保更简单的印刷电路板布局布线和更好地调节为栅极驱动器供电的电压,最终驱动电源开关的栅极。这些因素可以提高牵引逆变器的效率和可靠性,通常可使其在100kW至500kW下运行。这些高功率系统需要更高的效率以确保更小的热损失,因为热应力是元件故障的主要原因之一。

以往,光耦合器通常用于关闭隔离栅上的电源回路。一些工程师担心光耦合器的长期可靠性,而避免使用光耦合器的一种方法是使用推挽式或初级侧稳压反激式转换器。

随着这些电动汽车电源系统对功率的要求越来越高,是时候考虑使用高频率的FET,例如碳化硅和氮化镓电源开关来实现更小、更高效的电源了。这两种半导体技术各自都有一些优点,但需要比成熟的传统绝缘栅双极晶体管更严格地调节栅极驱动器电压,需要小于1%的精度以确保最高效率。它们还需要在安全隔离栅上提供低电容和高CMTI的元件,因为它们切换高电压的速率比以前想象的更快。

对此Ryan 表示,UCC14240-Q1不仅提供正负输出用于优化开关,还具有闭环调节功能,能够在-40℃到150℃的汽车温度范围内将两个输出电压调节到1%的精度范围以内。

电动汽车未来会向更高的可靠性和更远的行驶距离迈进

驾驶员将继续期望以更低价格购买排放量更低、续航里程更长、安全性和可靠性更高且功能更多的车辆。只有电力电子技术不断进步,对电动汽车的这些需求才有可能得到满足,包括电源架构的创新及其相关的隔离式栅极驱动器和偏置电源。

牵引逆变器使用三相来驱动电机,TI的隔离式栅极驱动器(如UCC5870-Q1)用于驱动半桥开关。如图4右侧显示的,一个UCC14240-Q1可用于一个完全分布式系统的每个隔离式栅极驱动器。“在一些系统中,当低侧共享相同的电位时,一个UCC14240-Q1可能就足够了。我们称之为半分布式供电系统。” Ryan说到,“UCC14240-Q1提供了很大的灵活性,其应用扩展到车载充电器、隔离式 DC/DC 转换器、电机驱动器和太阳能逆变器等。”

图4:HEV/EV牵引逆变器中的UCC14240-Q1

改用分布式电源架构大大提高了在隔离式高压环境中的可靠性,但面临的挑战是额外的元件会导致对重量和尺寸的要求更高。完全集成的电源解决方案,例如在高频下开关的UCC14240-Q1偏置电源模块,可以节省系统级空间并实现轻量化,具有软开关、展频调制、屏蔽和低寄生等特性,使设计更容易满足国际无线电干扰特别委员会(CISPR)25和CISPR 32电磁兼容性标准,从而加快产品上市时间。

而且Ryan表示,UCC14240-Q1采用集成闭环控制,在-40°C至150°C内可实现±1.0%的精度。器件容差小,可以使用更小的电源开关,同时增强过流保护。此外,该器件全面集成了故障监控、过流保护、过功率保护和过热保护。

TI现可提供采用36引脚、12.8mm×10.3mm×3.55mm 的SSOP封装的预量产版本UCC14240-Q1。工程师可通过其官网购买UCC14240Q1EVM-052评估模块评估本产品。

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