随着电动汽车的蓬勃发展,汽车设计工程师始终在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。

 

为了实现更小、更可靠的系统以延长行驶里程,工程师改为使用分布式电源架构,因为在这种架构中,隔离式栅极驱动器配有专用的偏置电源,可以提高系统对单点故障的反应能力。例如,如果其中一个偏置电源失效,其他偏置电源及其配套的栅极驱动器仍可正常运行,有助于使汽车在道路上安全行驶。 

 

德州仪器 (TI)日前推出了尺寸更小、精度更高的1.5W隔离式直流/直流偏置电源模块UCC14240-Q,它使用专有集成变压器技术,可帮助设计人员将电源解决方案的尺寸减小一半,以便用于电动汽车、混合动力汽车、电机驱动系统和并网逆变器等高压环境。

 

集成式变压器模块有助于降低动力系统设计挑战

 

TI汽车系统工程与市场营销部门总监Ryan Manack表示,当前汽车行业正在发生巨大的变化。由于政府正在寻求降低排放,该行业正在向电动汽车过渡。到 2025 年,预计将有多达30%的新车销售为电动汽车,现在最大的挑战就是成本。如今,每千瓦时的平均电价已超过1000美元。到2024年,价格预计将跌至100美元以下。随着越来越多的公司接受电动汽车并对其技术进行创新,价格将继续下降。而且,随着价格的下降,电动汽车的行驶范围正在增加。现在最新的电动汽车一次充电可以行驶480公里以上。加上行驶距离和充电站数量的增加,越来越多的消费者希望能够购买电动汽车。 

 

电动汽车的核心是高压电池和电动机。高性能和高效的电动机是内燃机的替代品。与内燃机相比,电动机在较低的速度下可以产生更大的扭矩,更简单易用,运动部件更少,这使得它们更容易维修,它们还可以作为发电机以在制动时获取能量。控制电动机需要先进的电子器件,确保平稳安全的行驶。隔离式栅极驱动器是系统的关键部分,它通过开启和关闭IGBTSiCMOSFET等器件来控制在电机中流动的能量。这些隔离式栅极驱动器需要合适的偏置电源来控制SiC FET或IGBT。 

 
TI汽车系统工程与市场营销部门总监Ryan Manack

 

他指出,电动汽车的偏置电源正在发生变化。工厂自动化和机器人等其他应用中的传统电机控制使用具有多个输出绕组的集中式电源为隔离式栅极驱动器提供电压。虽然这些电路已经存在了几十年,但汽车对安全和冗余的严格要求以及追求更轻重量和降低高度的趋势,就变得更加重要。简而言之,具有外部变压器的偏置电源(如反激式和推挽式控制器)的高度、重量和面积阻碍了其在轻量级电子产品中使用分布式架构。电动汽车动力系统就需要采用更先进、体积更小的集成式变压器模块。


 
TI的目标是降低汽车制造商的生产成本和消费者的购买价格,相信这会使电动汽车得到更广泛的应用。使集成动力系统降低成本,简化设计,提高功能安全和增强可靠性。此外,动力系统集成还能够通过在更小的解决方案中实现更高的功率来扩展驱动范围,提高系统效率,并提高功率密度。

 

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。

 

UCC14240-Q1核心特性

 

功率密度和系统效率

 

UCC14240-Q1具有尺寸和效率方面的优势,可实现更高的功率密度和系统效率,使汽车在每次充电后行驶更远的里程。UCC14240-Q1厚度为3.55mm,尺寸小巧,可以将电源解决方案的体积减小一半,用一半的尺寸来支持更大的电量。薄型设计也支持将模块安装在印刷电路板的任意一侧,带来充分的灵活性。

 

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,使得功率密度翻倍,有助于提高汽车行驶里程。在105°C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绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 开关。

 

实现更高CMTI和更低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,可降低高速开关产生的EMI,并轻松实现超过150V/ns的共模瞬态抗扰度 (CMTI) 性能。

 

UCC14240-Q1具有软开关、展频调制、屏蔽和低寄生等特性,使设计更容易满足国际无线电干扰特别委员会(CISPR)25和CISPR 32电磁兼容性标准,从而加快产品上市时间。

 

温度范围内的更佳精度和隔离性能

 

UCC14240-Q1采用集成闭环控制,在-40°C至150°C内可实现±1.0%的精度。器件容差小,可以使用更小的电源开关,同时增强过流保护。此外,该器件全面集成了故障监控、过流保护、过功率保护和过热保护。UCC14240-Q1具有第三方认证的3kVrms隔离电压,因为很轻的重量和3.55mm的厚度,实现更好的抗振性。