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通過分布式架構(gòu)驅(qū)動下一代電動汽車系統(tǒng)

發(fā)布時間:2021-10-12 來源:德州儀器 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)正在不斷演進(jìn),其中的電子設(shè)備同樣也在發(fā)生變化。在這些車輛的整體構(gòu)造和功能方面,越來越多的電子設(shè)備發(fā)揮著重要作用。但是,司機(jī)并沒有改變。

 

電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)正在不斷演進(jìn),其中的電子設(shè)備同樣也在發(fā)生變化。在這些車輛的整體構(gòu)造和功能方面,越來越多的電子設(shè)備發(fā)揮著重要作用。但是,司機(jī)并沒有改變。他們?nèi)匀幌M约旱碾妱悠嚭突旌蟿恿﹄妱悠嚹軌蝽樌匦旭偢h(yuǎn),變得更經(jīng)濟(jì)實惠,充電速度更快,并確保他們的安全。那么設(shè)計人員如何才能以更低的成本為他們提供更多服務(wù)?


通過分布式架構(gòu)驅(qū)動下一代電動汽車系統(tǒng)


隨著對安全性、功率密度和電磁干擾(EMI)的要求越來越嚴(yán)格,涌現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn),包括為每個關(guān)鍵負(fù)載配備獨(dú)立偏置電源的分布式電源架構(gòu)。


電動汽車中的傳統(tǒng)電源架構(gòu)


汽車設(shè)計工程師可以根據(jù)電動汽車的電源要求為某些電源架構(gòu)設(shè)計方案。圖1所示的傳統(tǒng)方法是集中式電源架構(gòu),它使用一個中央變壓器和一個偏置控制器來為所有柵極驅(qū)動器生成偏置電壓。


通過分布式架構(gòu)驅(qū)動下一代電動汽車系統(tǒng)

圖1:混合動力電動汽車/電動汽車牽引逆變器中的集中式架構(gòu)


集中式架構(gòu)成本較低,因而這種解決方案歷來廣受歡迎,但這種架構(gòu)可能難以管理故障和調(diào)節(jié)電壓,而且布局具有挑戰(zhàn)性。集中式架構(gòu)也容易受到更多噪音的影響,并且一個系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的元件又高又重。


最后,隨著可靠性和安全性成為重中之重,集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余,如果偏置電源中的單個元件出現(xiàn)故障,則可能導(dǎo)致大型系統(tǒng)故障。部署分布式架構(gòu)可防止電源故障,從而打造更可靠的系統(tǒng)。


通過分布式架構(gòu)實現(xiàn)高可靠性


如果在汽車以65英里/小時的速度行駛時,牽引逆變器電機(jī)中的一個小型電子元件出現(xiàn)故障,大家肯定都不希望車輛突然發(fā)動機(jī)失靈或完全停止。動力總成系統(tǒng)內(nèi)的安全冗余和備用電源已成為確保安全性和可靠性的標(biāo)配。


分布式電源架構(gòu)可為每個柵極驅(qū)動器分配一個與其靠近的專用的、本地的、方便調(diào)節(jié)的偏置電源,以滿足電動汽車應(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)對單點故障的反應(yīng)能力。例如,如果與柵極驅(qū)動器配套的其中一個偏置電源失效,其他五個偏置電源及其配套的柵極驅(qū)動器仍可正常運(yùn)行。如果六個柵極驅(qū)動器中有五個仍可正常運(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,車輛中的乘客甚至都不會意識到出現(xiàn)問題。


外部變壓器偏置電源(如反激式和推挽式控制器)很高、很重且占用面積較大,阻礙了分布式架構(gòu)在輕型電子設(shè)備中的使用。電動汽車電源系統(tǒng)需要更先進(jìn)的器件,即更小的集成變壓器模塊,例如UCC14240-Q1隔離式直流/直流偏置電源模塊,它可將變壓器和元件集成到一個經(jīng)優(yōu)化的、具有低高度的平面磁性元件模塊解決方案中。


將平面變壓器集成在集成電路尺寸的封裝中,可以大幅減小電源系統(tǒng)的尺寸、降低其高度并減輕其重量。UCC14240-Q1集成了變壓器和隔離,可提供簡單控制和較低的初級到次級電容,提高密集和快速開關(guān)應(yīng)用中的共模瞬變抗擾度(CMTI)。將初級和次級側(cè)控制與隔離完全集成,可在一個器件中實現(xiàn)穩(wěn)定的±1.3%隔離式直流/直流偏置電源。通過實現(xiàn)1.5W的輸出功率,甚至在高達(dá)105°C的溫度下也是如此,UCC14240-Q1可以為分布式架構(gòu)中的柵極驅(qū)動器供電,如圖2所示。


通過分布式架構(gòu)驅(qū)動下一代電動汽車系統(tǒng)

圖2:使用UCC14240-Q1的電動/混動汽車牽引逆變器中的分布式架構(gòu)


在分布式架構(gòu)中驅(qū)動動力總成系統(tǒng)的其他注意事項


電動汽車需要高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性和安全性,而這種要求會滲透到各個功率轉(zhuǎn)換電子設(shè)備上。元件必須以受控且經(jīng)過驗證的方式在125°C及以上的環(huán)境溫度下運(yùn)行。隔離式柵極驅(qū)動器需要是“智能的”,包括多項安全和診斷功能。為系統(tǒng)中的柵極驅(qū)動器和其他電子設(shè)備供電的低功率偏置電源也需要改進(jìn),包括實現(xiàn)低EMI。UCC14240-Q1利用TI的集成變壓器技術(shù),結(jié)合使用3.5pF的初級到次級電容變壓器,可降低高速開關(guān)產(chǎn)生的EMI,并輕松實現(xiàn)超過150V/ns的CMTI。


偏置電源靠近分布式架構(gòu)中的隔離式柵極驅(qū)動器,可確保更簡單的印刷電路板布局布線和更好地調(diào)節(jié)為柵極驅(qū)動器供電的電壓,最終驅(qū)動電源開關(guān)的柵極。這些因素可以提高牽引逆變器的效率和可靠性,通常可使其在100kW至500kW下運(yùn)行。這些高功率系統(tǒng)需要更高的效率以確保更小的熱損失,因為熱應(yīng)力是元件故障的主要原因之一。


隨著這些電動汽車電源系統(tǒng)對功率的要求越來越高,是時候考慮使用碳化硅和氮化鎵電源開關(guān)來實現(xiàn)更小、更高效的電源了。這兩種半導(dǎo)體技術(shù)各自都有一些優(yōu)點,但需要比成熟的傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管更嚴(yán)格地調(diào)節(jié)柵極驅(qū)動器電壓。它們還需要在安全隔離柵上提供低電容和高CMTI的元件,因為它們切換高電壓的速率比以前想象的更快。


電動汽車未來會向更高的可靠性和更遠(yuǎn)的行駛距離邁進(jìn)


駕駛員將繼續(xù)期望以更低價格購買排放量更低、續(xù)航里程更長、安全性和可靠性更高且功能更多的車輛。只有電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步,對電動汽車的這些需求才有可能得到滿足,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)是額外的元件會導(dǎo)致對重量和尺寸的要求更高。完全集成的電源解決方案(例如在高頻下開關(guān)的UCC14240-Q1偏置電源模塊)可以節(jié)省系統(tǒng)級空間并實現(xiàn)輕量化。


關(guān)于德州儀器(TI)


德州儀器(TI)(納斯達(dá)克股票代碼:TXN)是一家全球化的半導(dǎo)體公司,致力于設(shè)計、制造、測試和銷售模擬和嵌入式處理芯片,用于工業(yè)、汽車、個人電子產(chǎn)品、通信設(shè)備和企業(yè)系統(tǒng)等市場。我們致力于通過半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實用,創(chuàng)造一個更美好的世界。如今,每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)之上,使我們的技術(shù)變得更小巧、更快速、更可靠、更實惠,從而實現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,這就是工程的進(jìn)步。這正是我們數(shù)十年來乃至現(xiàn)在一直在做的事。 


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