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分布式架構實現高可靠性 驅動下一代電動汽車驅動系統

2021年11月10日 09:00 ? 次閱讀
Other Parts Discussed in Post: UCC14240-Q1

電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)正在不斷演進,其中的電子設備同樣也在發生變化。在這些車輛的整體構造和功能方面,越來越多的電子設備發揮著重要作用。但是,司機并沒有改變。他們仍然希望自己的電動汽車和混合動力電動汽車能夠順利地行駛更遠,變得更經濟實惠,充電速度更快,并確保他們的安全。那么設計人員如何才能以更低的成本為他們提供更多服務?

隨著對安全性、功率密度和電磁干擾(EMI)的要求越來越嚴格,涌現了不同的電源架構來應對這些挑戰,包括為每個關鍵負載配備獨立偏置電源的分布式電源架構。

電動汽車中的傳統電源架構

汽車設計工程師可以根據電動汽車的電源要求為某些電源架構設計方案。圖1所示的傳統方法是集中式電源架構,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動器生成偏置電壓。

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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

集中式架構成本較低,因而這種解決方案歷來廣受歡迎,但這種架構可能難以管理故障和調節電壓,而且布局具有挑戰性。集中式架構也容易受到更多噪音的影響,并且一個系統區域內的元件又高又重。

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

通過分布式架構實現高可靠性

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

分布式電源架構可為每個柵極驅動器分配一個與其靠近的專用的、本地的、方便調節的偏置電源,以滿足電動汽車應用環境中的可靠性要求,因此可以提供冗余并提高系統對單點故障的反應能力。例如,如果與柵極驅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動器仍可正常運行。如果六個柵極驅動器中有五個仍可正常運行,電機便能以良好的控制方式減速和關閉,或者可能繼續運行。使用這種電源系統設計,車輛中的乘客甚至都不會意識到出現問題。

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,阻礙了分布式架構在輕型電子設備中的使用。電動汽車電源系統需要更先進的器件,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優化的、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應用中的共模瞬變抗擾度(CMTI)。將初級和次級側控制與隔離完全集成,可在一個器件中實現穩定的±1.3%隔離式直流/直流偏置電源。通過實現1.5W的輸出功率,甚至在高達105°C的溫度下也是如此,UCC14240-Q1可以為分布式架構中的柵極驅動器供電,如圖2所示。

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2:使用UCC14240-Q1的電動/混動汽車牽引逆變器中的分布式架構

在分布式架構中驅動動力總成系統的其他注意事項

電動汽車需要高標準的可靠性和安全性,而這種要求會滲透到各個功率轉換電子設備上。元件必須以受控且經過驗證的方式在125°C及以上的環境溫度下運行。隔離式柵極驅動器需要是“智能的”,包括多項安全和診斷功能。為系統中的柵極驅動器和其他電子設備供電的低功率偏置電源也需要改進,包括實現低EMI。UCC14240-Q1利用TI的集成變壓器技術,結合使用3.5pF的初級到次級電容變壓器,可降低高速開關產生的EMI,并輕松實現超過150V/nsCMTI。

偏置電源靠近分布式架構中的隔離式柵極驅動器,可確保更簡單的印刷電路板布局布線和更好地調節為柵極驅動器供電的電壓,最終驅動電源開關的柵極。這些因素可以提高牽引逆變器的效率和可靠性,通??墒蛊湓?span>100kW至500kW下運行。這些高功率系統需要更高的效率以確保更小的熱損失,因為熱應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來實現更小、更高效的電源了。這兩種半導體技術各自都有一些優點,但需要比成熟的傳統絕緣柵雙極晶體管更嚴格地調節柵極驅動器電壓。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的行駛距離邁進

駕駛員將繼續期望以更低價格購買排放量更低、續航里程更長、安全性和可靠性更高且功能更多的車輛。只有電力電子技術不斷進步,對電動汽車的這些需求才有可能得到滿足,包括電源架構的創新及其相關的隔離式柵極驅動器和偏置電源。

改用分布式電源架構大大提高了在隔離式高壓環境中的可靠性,但面臨的挑戰是額外的元件會導致對重量和尺寸的要求更高。完全集成的電源解決方案(例如在高頻下開關的UCC14240-Q1偏置電源模塊)可以節省系統級空間并實現輕量化。

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