广告

通过分布式架构驱动下一代电动汽车系统

2021-10-11 12:02:35 德州仪器 阅读:
电动汽车(EV)和混动汽车(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。

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?dRaednc

dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

dRaednc

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dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

dRaednc

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dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

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。dRaednc

其他资源

关于德州仪器(TI)

德州仪器(TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球化的半导体公司,致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,创造一个更美好的世界。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础之上,使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用,这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。 欲了解更多信息,请访问公司网站www.ti.com.cndRaednc

商标

所有注册商标和其它商标均归其各自所有者专属。dRaednc

  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 如何实现最精确的授时和同步? 在为关键基础设施制定PNT解决方案时,运营商必须做出两个最关键的决策:1) 是否应在架构的每一层上部署弹性、冗余和安全性?2) 应采用哪种安全策略?
  • 如何在高压应用中利用反相降压-升压拓扑 对于需要生成负电压轨的应用,可以考虑多种拓扑结构,如“生成负电压的艺术”一文所述。但是,如果输入和/或输出端的绝对电压超过24V,并且所需的输出电流可以达到几安,则充电泵和LDO负压稳压器将会因其低电流能力被弃用,而其电磁组件的尺寸,会导致反激式和Ćuk转换器解决方案变得相当复杂。因此,在这种条件下,反相降压-升压拓扑能在高效率和小尺寸之间达成较好的折衷效果。
  • 西工大打破吉尼斯世界纪录,扑翼式无人机单次充电飞行15 据西北工业大学官宣其扑翼式无人机单次充电飞行时间获得新的吉尼斯世界纪录,认定的纪录时间为 2 小时 34 分 38 秒 62(突破 154 分钟)。本次刷新世界纪录的“云鸮”扑翼式无人机采用了高升力大推力柔性扑动翼设计、高效仿生驱动系统设计和微型飞控导航一体化集成等关键技术,翼展 1.82m,空载起飞重量为 1kg,手抛起飞,滑翔降落,能够按设定航线自主飞行,飞行过程中能实时变更航线。
  • 电化学腐蚀制备新技术发表,“一步到位”制作电池电极 据了解,天津大学“英才计划”特聘研究员吉科猛团队联合湖南大学谭勇文教授团队利用钴磷合金研发出了仅用一步即可制成电池电极的电化学腐蚀制备技术,该相关研究成果将于近日发表在国际期刊《先进材料》上。
  • 金升阳汽车电子一站式电源解决方案 金升阳汽车电子一站式电源解决方案
  • 满足车规级、医规级的芯片级DC/DC电源——B0505ST16-W 金升阳推出芯片级隔离电源产品B0505ST16-W5,为高端芯片应用助力。金升阳芯片级电源B0505ST16-W5采用新一代自主研发技术,电路技术和电气性能都有质的提高,在汽车电子等领域,朝着小型化、功能集成化的方向迈进。
  • 实现测试测量突破性创新,采用ASIC还是FPGA? 作为世界创新的幕后英雄,特别是在电子器件和通信技术方面,工程师们要开发测试设备,验证这些新技术,以把新技术推向市场。这些工程师必须运行尖端技术,处理预测行业和创新未来的挑战。在开创未来的过程中,测试测量工程师面临的基础性创新挑战之一,是确定设计中采用专用集成电路(ASIC)还是现场可编程门阵列(FPGA)。
  • 大联大品佳集团推出基于Infineon iMotion产品的冰箱 大联大控股宣布,其旗下品佳推出基于英飞凌(Infineon)IMC101T的冰箱压缩机方案。
  • 低功耗“刚需”加速物联网应用落地,用独特MCU设计的省 低功耗MCU涉及的关键技术和设计挑战非常多,从如何定义系统架构、构建平台和MCU生态系统到数字电路设计,从工艺的选择到模拟电路设计,从可靠性设计到低功耗设计,从应用创新到满足客户各种需求等,每方面都对设计公司提出很高要求……
  • 无线充解决方案 SCT6324X系列是一款高度集成的电源管理IC,能够实现符合WPC规范的无线电源发射器系统的高性能、高效率和成本效益,以支持高达20W的功率传输,适用特定于无线应用程序的控制器或基于通用MCU的发射器控制器。
  • 谈谈智能舱座应用 智能舱座的出现体现了人们对于智能汽车的向往,注重车内感知系统和交互模式,那么随着车内感知系统和交互模式的升级,对车规级芯片的需求与要求日益增长。
  • 芯海科技聚焦汽车电子未来发展,着力打造全场景应用产品 芯海科技聚焦汽车电子未来发展,着力打造全场景应用产品生态
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了