文︱立厷

图︱网络

如果不是因为一些大城市限制使用燃油车,许多消费者是不情愿购买电动汽车(EV)的。理由很简单:相比同档次燃油车,电动汽车要贵5-8万元;还有一个最大的问题是里程焦虑。

虽然这两年电池价格在不断下降,续航里程也增加了一些,但离消费者要求的便捷充电、跑得更远还是有很大的差距。为此,半导体厂商也在绞尽脑汁,寻找解决之道,那就是从系统效率入手,提高功率密度,减轻重量,以延长行驶里程。

阻碍电动汽车普及的梗

受全球限制二氧化碳排放法规的推动,电动汽车的销量每年以20%以上的速度增长,预计到2030年将占汽车总销量的25%。目前全球电动汽车销量为560万辆,2025年,其在全球汽车销量的占比将增至30%。

不过,购买价格和行驶里程是阻碍电动汽车普及的两大因素。行业的主要顾虑之一是如何使混合动力汽车(HEV)和电动汽车(EV)更实惠,以促进大众市场的采用,并解决主机厂当前盈利能力不足的问题。

为此,EV和HEV也在发生变化,其中的电子设备越来越多,对车辆的整体形式和功能起着重要作用。然而,驾驶员并没有改变,他们仍希望EV和HEV更加经济实惠,能够不停地继续行驶,充电速度更快,并保证安全。

从设计角度看,主机厂正在提高车辆动力系统的电气化程度,同时还要压低成本。起初,人们认为电池成本是造成价格差异的唯一原因。的确,电池成本已经下降,而且还会继续下降。不过,还有其他商业模式和选项也可以降低成本并缩短主机厂EV和HEV销售实现盈利的时间。

一种选择是按成本设计(DTC),主要针对动力总成集成,即让电源电子组件的布置更紧密,减少组件数量,并将它们集成到更少的盒子中。在提升系统效率的同时,还可以简化设计与功能安全认证,增强可靠性。成本下降的同时,也可以减轻整车重量,在不改变电池容量的情况下让车跑得更远。

2020年,在理想状态下,市场上纯电动汽车里程在300-500公里。主机厂都在采用全新的动力总成平台设计,优化电池堆叠和封装,以实现更高的续航里程。更高密度的电池组堆叠意味着更高的电压和更大的马力。

现代电动汽车的电池电压通常为400V,但要获得更大的马力,则需要将电池电压提高至800V,尤其是在高端电动汽车中。更高的电压可将相同的电流转换为更大的马力;电池堆叠和封装的优化可实现紧凑的空间和更低的DTC。

此外,在同样功率下,因为不用使用大电流,更高的电压有助于提高效率,从而降低热耗散;更小的电缆直径和更低的重量反过来又降低了DTC。

传统偏置电源架构的弊端

随着对电动汽车安全性、功率密度和电磁干扰(EMI)的要求越来越严格,出现了不同的电源架构来应对这些挑战。传统偏置电源架构是根据电动汽车的供电要求针对某些电源架构设计方案,即集中式电源架构。它使用一个中央变压器和一个偏置控制器为所有栅极驱动器生成偏置电压。

图 HEV/EV牵引逆变器的集中式架构

由于成本低,集中式架构一直是一种流行的解决方案,但这种架构会使故障管理和电压调节变得困难,布局也有难度。集中式架构也容易受到更多噪声的影响,且在系统的一个区域中有高大而沉重的组件。

还有,随着可靠性和安全性的强制法规的实施,集中式架构的电源缺乏冗余,如果偏置电源中的单个组件发生故障,则可能导致大的系统故障。因此,用分布式架构防止电源故障将能够实现可靠的系统。不过,外部变压器偏置电源(如反激式和推挽式控制器)的高度、重量和面积都很大,因此无法在轻量级电子产品中使用分布式架构。

分布式架构一举多得

汽车设计工程师在不断努力提高效率和可靠性,并降低电动汽车动力总成系统(在整车质量中占比最大)的重量。采用分布式电源架构,即隔离式栅极驱动器配上专用的偏置电源,可以实现更小、更可靠的系统,延长行驶里程。

先来看可靠性,如果车辆以100的时速行驶,牵引逆变器电机中的一个小电子部件出现故障,采用分布式电源架构就不会使车辆突然停止或失去动力。动力系统内的冗余和备用电源可以确保安全性和可靠性。

分布式电源架构通过为每个栅极驱动器分配一个近距离的专用、本地、良好调节的偏置电源,满足电动汽车环境的可靠性标准。该架构提供了冗余,并改进了系统对单点故障的反应方式。例如,如果与栅极驱动器配对的一个偏置电源出现故障,则其他五个偏置电源将保持工作状态,其配对栅极驱动器也是如此。如果六个栅极驱动器中有五个保持运行,电机就可以以良好控制的方式减速和关闭,或者继续运行。

在分布式架构中,偏置电源与隔离栅极驱动器的接近性确保了更简单的印刷电路板布局和更好地调节为栅极驱动器来提供电压,最终驱动电源开关的栅极。这些因素提高了牵引逆变器的效率和可靠性,牵引逆变器通常可在100kW至500kW的功率下运行。这些大功率系统要求最高的效率以确保最小的热损失,因为热应力是部件故障的主要原因之一。

再看效率和成本,在提高隔离式高压环境中可靠性的同时,分布式电源架构还可以大大缩短设计周期,减少组件数量。通过将电源解决方案的尺寸减小一半,满足系统小型化和轻量化的需求。这一切都有助于进一步提升车辆的行驶里程。

选择这样的解决方案

要达到上述目的,就需要更小的集成变压器模块,如德州仪器(TI)刚刚推出的的UCC14240-Q1隔离DC/DC偏置电源模块。它将变压器和组件集成到一个低高度平面磁性的优化模块封装中,可以大大减小电源系统的尺寸、高度和重量。

该模块集成了变压器和隔离组件(经第三方认证额定隔离电压为3000VRMS),提供了简单的控制和3．5pF的初级到次级电容,可降低高速开关产生的EMI,实现密集和快速开关应用中的共模瞬态抗扰度(CMTI)。将初级和次级控制与隔离完全集成,可在一个器件中实现±1．3%的隔离DC/DC偏置电源。

图 EV/HEV牵引逆变器分布式架构方案

这样的的集成变压器技术为系统带来了明显的尺寸效益。与传统方案相比,变压器集成在电路板内部,使解决方案高度降低了7mm以上,达到3．55mm。该产品优化的不仅仅是尺寸,还有系统集成。传统的推挽和反激式变压器需要几个分立组件支持电路,包括整流器、缓冲器和电压调节器。而集成产品将该功能融入电路板中,消除了对复杂外部组件的需求。只需安装一个去耦电容和电压+电流设置电阻即可使用,不再需要反激式和推挽式电路中常见的平衡漏感和一个到两个电容的变压器设计,为设计工程师节省了大量开发时间。该款产品可将外部组件的数量缩减超过60%,简化了供应链和采购流程。

全集成的UCC14240-Q1偏置电源模块具有尺寸和效率方面的优势,还可在高频下切换,进一步降低系统级空间和重量,延长行驶里程。UCC14240-Q1尺寸小巧,因此设计人员可以用一半的尺寸支持更大的电量。薄型设计也支持将模块安装在印刷电路板的任意一侧,为工程师带来充分的灵活性。因为很轻的重量和低厚度,可实现卓越的抗振性。

IC尺寸封装实现隔离式功率传输

这款双路输出电源模块的效率为60%,比传统的偏置电源高一倍,这使功率密度翻倍。在105℃的环境温度下,UCC14240-Q1的功率超过1．5W,支持工程师在高频率下驱动IGBT(绝缘栅双极晶体管)、碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)开关。

能够支持碳化硅和氮化镓很重要,因为电动汽车电源系统正在走向更高电压和更高功率的系统,用碳化硅和氮化镓功率开关可以进一步实现更小和更高效的电源。这两种半导体技术有很多优点,但需要比成熟的传统IGBT更严格的栅驱动器调节电压,而且还需要在安全隔离栅上提供低电容和高CMTI的组件,因为它们能够以更快的边缘速率切换高电压。

创新支持未来

向分布式电源架构的转变极大地提高了隔离高压环境中的可靠性,满足具有更低排放量、更长行驶里程、更好安全性和更高可靠性的车辆要求,并且能够以更少的成本获得更多的功能。只有电源技术的进步才能使这些需求在电动汽车中成为可能,这样的创新有助于推进电动汽车的推广和普及。