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技术干货 | 通过分布式架构驱动下一代电动汽车系统

igoseo.net   2021年10月11日

  电动汽车 (EV) 和混合动力电动汽车 (HEV) 正在不断演进,其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?

  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

  汽车设计工程师可以根据电动汽车的电源要求为某些电源架构设计方案。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。

  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,例如 UCC14240-Q1 隔离式直流/直流偏置电源模块,它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。UCC14240-Q1 集成了变压器和隔离,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,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

  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“xpj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。

  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。

  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。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。

  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。

  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。

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