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应对电动汽车电驱动设计四大挑战,TI推出实时可变栅极驱动强度的栅极驱动器

2023-05-31 17:53:42 赵明灿 阅读:
在进行电动汽车高压电源以及电驱动设计时,工程师有四大目标:第一,希望设计出更高效的牵引逆变器;第二,需要提高功率密度;第三,需要设计出高可靠性的系统;第四,需要降低系统复杂度。

目前,汽车半导体创新领域有四大目标:第一,帮助用户更大限度地延长汽车行驶里程;第二,帮助客户改进电动汽车的充电性能和效率;第三,通过半导体技术的创新和更迭,让电动汽车变得更加经济实惠;第四,鉴于汽车行驶涉及安全问题,需要帮助客户使电动汽车的设计安全可靠。JmWednc

另一方面,在进行电动汽车高压电源以及电驱动设计时,工程师也有四大目标:第一,希望设计出更高效的牵引逆变器;第二,需要提高功率密度,在输出相同功率的情况下减小体积,或在相同体积的情况下输出更大功率;第三,需要设计出高可靠性的系统,因为牵引逆变器和动力相关,安全可靠非常重要;第四,虽然系统要求不断提高,但从设计的角度仍然需要降低系统复杂度,从而使用更少的元器件设计出相同功能的系统。JmWednc

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三电系统的示意图,中间的方块是动力电池,牵引逆变器通常会装在车尾。JmWednc

为了解决上述四个挑战,德州仪器(TI)推出了UCC5880-Q1栅极驱动器。日前,在德州仪器UCC5880-Q1 SiC栅极驱动器新品发布会上,德州仪器混动汽车/电动汽车部门总经理吴万邦(Mark Ng)表示,使用UCC5880-Q1的可调驱动技术,设计人员可以根据工况提高牵引逆变器的整体效率;产品的高集成度还可以帮助客户降低设计复杂度,并提高系统功率密度。同时,TI的芯片符合功能安全ASIL-D设计标准,所以系统的可靠性就可以实现很大的提升。JmWednc

从设计人员的角度来看,牵引逆变器需要有更大的功率,还需要实现安全、可靠和高效。市面上,牵引逆变器产品的效率已经达到了90%以上,继续优化比较困难,更高压的设计需求和新半导体器件的使用,会带来产品结构更迭和散热限制等挑战。“使用我们的器件优化系统后,我们预估牵引逆变器的运行效率可以提升最大约2%。因为目前的产品效率已经很高,牵引逆变器高压模块从IGBT换成SiC后还会带来新的挑战,所以即使是2%的提升,对系统设计来说都是非常高的提升。”吴万邦强调。JmWednc

TI在牵引逆变器领域的总体策略是,面向系统提供整体解决方案。下图介绍了TI可提供的整体解决方案:在整个牵引逆变器系统中,除了隔离式栅极驱动器,还包括ASIL-D的MCU、C2000实时控制器、反激式控制器(可以充当系统的辅助供电),针对分布式辅电等未来趋势,TI还有全集成式的辅助供电模块、隔离电压/电流检测采样、隔离电源检测等。JmWednc

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就隔离式栅极驱动器UCC5880-Q1而言,他并强调,TI不只提供芯片级解决方案,还提供整套系统解决方案。“我们有一个和Wolfspeed共同开发的300kW牵引逆变器参考设计,将UCC5880-Q1和Wolfspeed的SiC模块搭配使用,并完成整体测试和认证。”他补充说。JmWednc

UCC5880-Q1驱动器通过更低的系统成本,以及对驱动能力的实时调节,可以将逆变器系统效率提升最大约2%,从而延长电动汽车行驶里程。举例来说,如果用户每周充三次电,每次充电都可以提升11km的行驶里程,一年下来行驶里程可以提升约1600km。在UCC5880-Q1中,TI设计了可实时调节栅极驱动强度的功能,可以让用户在系统运行时,在5A到20A的范围内调整驱动电流。在此基础上,这款器件还符合ISO 26262功能安全设计标准,可以支持设计人员更快速、更安全、更高效地设计牵引逆变器系统。JmWednc

可调驱动为什么重要?“碳化硅可以实现更高的开关速度,从系统效率的角度来说,开关速度越快,开关损耗越低,效率也就越高;从系统可靠性的角度来说,开关速度越快,可能导致更大的电压过冲,进而影响模块可靠性。”他解释说,“我们提供的可调驱动功能可以让用户实现开关速度和电压过冲的平衡,这是我们为用户带来的一个性能优势。”JmWednc

在一次放电周期中,很多时间下电池工作在电量不充足的状态,此时,减小开关损耗、提升效率就比较难实现。通过对系统不同工况下的驱动能力调节,以及每次开关周期中导通和关断电流能力的调节,TI可以帮助用户实现更高的效率和系统可靠性。具体来说,在充满电状态下,比如超过80%,系统更关心电压过冲不能过高,此时可以适当降低驱动能力,让开关速度变慢,减小电压过冲。在未充满电状态下,比如在20%-80%之间时,电池效率非常关键,此时可以适当允许较大的电压过冲,所以可以提升驱动能力。JmWednc

前面还提到一个挑战,就是客户需要在实现更大功率的同时实现更高的功率密度。“因此,除了UCC5880-Q1栅极驱动器之外,我们还搭配使用了一个隔离辅助电源模块,UCC14141-Q1,它是一个集成了变压器的隔离电源模块,可以和UCC5880-Q1搭配使用,非常方便地设计分布式辅助供电的牵引逆变器驱动桥电路,帮助客户用更小的体积和更简单的电路,去实现更完善的功能。”他补充说。JmWednc

在评估板上,TI把UCC5880-Q1驱动器和辅助供电模块UCC14141-Q1设计在了一起,整体驱动电路的元器件数量非常少,所占面积也很小。这个评估板已经可以在TI.com上申请购买,同时TI也有相应的技术文章可供参考。JmWednc

回到前面所说的“TI不只提供芯片方案,还提供整体解决方案”,下图中的这套系统就是TI和碳化硅模块供应商Wolfspeed一起合作设计的800V/300kW的碳化硅牵引逆变器参考设计。这款参考设计不只包含原理图和PCB布线,还提供了实物可供客户评估。“这套系统的很多功能,包括栅极驱动、辅助供电、隔离供电、MCU,都是使用TI的芯片方案来完成设计的。”他补充说。JmWednc

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TI同时也在投资高压电源技术。在电动汽车中,高电压技术不只会用在牵引逆变器中,还会用在车载充电器OBC和高压转低压的DC/DC中。该技术涵盖四类主要产品:第一是氮化镓,TI生产车规级氮化镓,提供的氮化镓方案是全集成式方案,其驱动、保护和功率部分全都集成在一个封装里,可以更大限度地实现小体积;第二是隔离式栅极驱动器,除了UCC5880-Q1,还包括其它同样用于牵引逆变器的栅极驱动器,以及用于OBC和DC/DC中的高压栅极驱动器;第三是搭配使用的辅助供电方案,TI可以提供隔离式的辅助电源模块,可以用更小的体积实现更好的性能;第四是C2000实时控制器,可以帮助客户更简单地设计高压电源。JmWednc

TI在高压技术领域有三个目标:第一,通过半导体器件的创新,帮助用户更大限度地减少开关损耗;第二,通过小体积设计,包括简化外围器件,帮助用户提高功率密度;第三,通过技术创新,更大限度提高功率管的开关速度,并增强驱动强度。JmWednc

TI借助先进的高压技术和芯片技术的创新,帮助用户设计更加高效且更加可靠的牵引逆变器,从而延长电动汽车的行驶里程。该公司目标是通过技术创新,帮助用户实现更高效率、更高可靠性和更高安全性的设计目标,同时通过技术创新来降低方案成本,让更多消费者买到性价比更高的电动汽车,他总结道。JmWednc

若需了解更多资料,可参考网址TI.com/high-voltage,了解更多TI高压技术。JmWednc

责编:Franklin
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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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