雖然這兩年電池價(jià)格在不斷下降,續(xù)航里程也增加了一些,但離消費(fèi)者要求的便捷充電、跑得更遠(yuǎn)還是有很大的差距。為此,半導(dǎo)體廠商也在絞盡腦汁,尋找解決之道,那就是從系統(tǒng)效率入手,提高功率密度,減輕重量,以延長行駛里程。
阻礙電動(dòng)汽車普及的梗
受全球限制二氧化碳排放法規(guī)的推動(dòng),電動(dòng)汽車的銷量每年以20%以上的速度增長,預(yù)計(jì)到2030年將占汽車總銷量的25%。目前全球電動(dòng)汽車銷量為560萬輛,2025年,其在全球汽車銷量的占比將增至30%。
不過,購買價(jià)格和行駛里程是阻礙電動(dòng)汽車普及的兩大因素。行業(yè)的主要顧慮之一是如何使混合動(dòng)力汽車(HEV)和電動(dòng)汽車(EV)更實(shí)惠,以促進(jìn)大眾市場的采用,并解決主機(jī)廠當(dāng)前盈利能力不足的問題。
為此,EV和HEV也在發(fā)生變化,其中的電子設(shè)備越來越多,對車輛的整體形式和功能起著重要作用。然而,駕駛員并沒有改變,他們?nèi)韵Ｍ鸈V和HEV更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠,能夠不停地繼續(xù)行駛,充電速度更快,并保證安全。
從設(shè)計(jì)角度看,主機(jī)廠正在提高車輛動(dòng)力系統(tǒng)的電氣化程度,同時(shí)還要壓低成本。起初,人們認(rèn)為電池成本是造成價(jià)格差異的唯一原因。的確,電池成本已經(jīng)下降,而且還會(huì)繼續(xù)下降。不過,還有其他商業(yè)模式和選項(xiàng)也可以降低成本并縮短主機(jī)廠EV和HEV銷售實(shí)現(xiàn)盈利的時(shí)間。
一種選擇是按成本設(shè)計(jì)(DTC),主要針對動(dòng)力總成集成,即讓電源電子組件的布置更緊密,減少組件數(shù)量,并將它們集成到更少的盒子中。在提升系統(tǒng)效率的同時(shí),還可以簡化設(shè)計(jì)與功能安全認(rèn)證,增強(qiáng)可靠性。成本下降的同時(shí),也可以減輕整車重量,在不改變電池容量的情況下讓車跑得更遠(yuǎn)。
2020年,在理想狀態(tài)下,市場上純電動(dòng)汽車?yán)锍淘?00-500公里。主機(jī)廠都在采用全新的動(dòng)力總成平臺(tái)設(shè)計(jì),優(yōu)化電池堆疊和封裝,以實(shí)現(xiàn)更高的續(xù)航里程。更高密度的電池組堆疊意味著更高的電壓和更大的馬力。
現(xiàn)代電動(dòng)汽車的電池電壓通常為400V,但要獲得更大的馬力,則需要將電池電壓提高至800V,尤其是在高端電動(dòng)汽車中。更高的電壓可將相同的電流轉(zhuǎn)換為更大的馬力;電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實(shí)現(xiàn)緊湊的空間和更低的DTC。
此外,在同樣功率下,因?yàn)椴挥檬褂么箅娏?更高的電壓有助于提高效率,從而降低熱耗散;更小的電纜直徑和更低的重量反過來又降低了DTC。
傳統(tǒng)偏置電源架構(gòu)的弊端
隨著對電動(dòng)汽車安全性、功率密度和電磁干擾(EMI)的要求越來越嚴(yán)格,出現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)偏置電源架構(gòu)是根據(jù)電動(dòng)汽車的供電要求針對某些電源架構(gòu)設(shè)計(jì)方案,即集中式電源架構(gòu)。它使用一個(gè)中央變壓器和一個(gè)偏置控制器為所有柵極驅(qū)動(dòng)器生成偏置電壓。
圖 HEV/EV牽引逆變器的集中式架構(gòu)
由于成本低,集中式架構(gòu)一直是一種流行的解決方案,但這種架構(gòu)會(huì)使故障管理和電壓調(diào)節(jié)變得困難,布局也有難度。集中式架構(gòu)也容易受到更多噪聲的影響,且在系統(tǒng)的一個(gè)區(qū)域中有高大而沉重的組件。
還有,隨著可靠性和安全性的強(qiáng)制法規(guī)的實(shí)施,集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余,如果偏置電源中的單個(gè)組件發(fā)生故障,則可能導(dǎo)致大的系統(tǒng)故障。因此,用分布式架構(gòu)防止電源故障將能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的系統(tǒng)。不過,外部變壓器偏置電源(如反激式和推挽式控制器)的高度、重量和面積都很大,因此無法在輕量級電子產(chǎn)品中使用分布式架構(gòu)。
分布式架構(gòu)一舉多得
汽車設(shè)計(jì)工程師在不斷努力提高效率和可靠性,并降低電動(dòng)汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)(在整車質(zhì)量中占比最大)的重量。采用分布式電源架構(gòu),即隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器配上專用的偏置電源,可以實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的系統(tǒng),延長行駛里程。
先來看可靠性,如果車輛以100的時(shí)速行駛,牽引逆變器電機(jī)中的一個(gè)小電子部件出現(xiàn)故障,采用分布式電源架構(gòu)就不會(huì)使車輛突然停止或失去動(dòng)力。動(dòng)力系統(tǒng)內(nèi)的冗余和備用電源可以確保安全性和可靠性。
分布式電源架構(gòu)通過為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配一個(gè)近距離的專用、本地、良好調(diào)節(jié)的偏置電源,滿足電動(dòng)汽車環(huán)境的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。該架構(gòu)提供了冗余,并改進(jìn)了系統(tǒng)對單點(diǎn)故障的反應(yīng)方式。例如,如果與柵極驅(qū)動(dòng)器配對的一個(gè)偏置電源出現(xiàn)故障,則其他五個(gè)偏置電源將保持工作狀態(tài),其配對柵極驅(qū)動(dòng)器也是如此。如果六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器中有五個(gè)保持運(yùn)行,電機(jī)就可以以良好控制的方式減速和關(guān)閉,或者繼續(xù)運(yùn)行。
在分布式架構(gòu)中,偏置電源與隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的接近性確保了更簡單的印刷電路板布局和更好地調(diào)節(jié)為柵極驅(qū)動(dòng)器來提供電壓,最終驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)的柵極。這些因素提高了牽引逆變器的效率和可靠性,牽引逆變器通常可在100kW至500kW的功率下運(yùn)行。這些大功率系統(tǒng)要求最高的效率以確保最小的熱損失,因?yàn)闊釕?yīng)力是部件故障的主要原因之一。
再看效率和成本,在提高隔離式高壓環(huán)境中可靠性的同時(shí),分布式電源架構(gòu)還可以大大縮短設(shè)計(jì)周期,減少組件數(shù)量。通過將電源解決方案的尺寸減小一半,滿足系統(tǒng)小型化和輕量化的需求。這一切都有助于進(jìn)一步提升車輛的行駛里程。
選擇這樣的解決方案
要達(dá)到上述目的,就需要更小的集成變壓器模塊,如德州儀器(TI)剛剛推出的的UCC14240-Q1隔離DC/DC偏置電源模塊。它將變壓器和組件集成到一個(gè)低高度平面磁性的優(yōu)化模塊封裝中,可以大大減小電源系統(tǒng)的尺寸、高度和重量。
該模塊集成了變壓器和隔離組件(經(jīng)第三方認(rèn)證額定隔離電壓為3000VRMS),提供了簡單的控制和3．5pF的初級到次級電容,可降低高速開關(guān)產(chǎn)生的EMI,實(shí)現(xiàn)密集和快速開關(guān)應(yīng)用中的共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)。將初級和次級控制與隔離完全集成,可在一個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)±1．3%的隔離DC/DC偏置電源。
圖 EV/HEV牽引逆變器分布式架構(gòu)方案
這樣的的集成變壓器技術(shù)為系統(tǒng)帶來了明顯的尺寸效益。與傳統(tǒng)方案相比,變壓器集成在電路板內(nèi)部,使解決方案高度降低了7mm以上,達(dá)到3．55mm。該產(chǎn)品優(yōu)化的不僅僅是尺寸,還有系統(tǒng)集成。傳統(tǒng)的推挽和反激式變壓器需要幾個(gè)分立組件支持電路,包括整流器、緩沖器和電壓調(diào)節(jié)器。而集成產(chǎn)品將該功能融入電路板中,消除了對復(fù)雜外部組件的需求。只需安裝一個(gè)去耦電容和電壓+電流設(shè)置電阻即可使用,不再需要反激式和推挽式電路中常見的平衡漏感和一個(gè)到兩個(gè)電容的變壓器設(shè)計(jì),為設(shè)計(jì)工程師節(jié)省了大量開發(fā)時(shí)間。該款產(chǎn)品可將外部組件的數(shù)量縮減超過60%,簡化了供應(yīng)鏈和采購流程。
全集成的UCC14240-Q1偏置電源模塊具有尺寸和效率方面的優(yōu)勢,還可在高頻下切換,進(jìn)一步降低系統(tǒng)級空間和重量,延長行駛里程。UCC14240-Q1尺寸小巧,因此設(shè)計(jì)人員可以用一半的尺寸支持更大的電量。薄型設(shè)計(jì)也支持將模塊安裝在印刷電路板的任意一側(cè),為工程師帶來充分的靈活性。因?yàn)楹茌p的重量和低厚度,可實(shí)現(xiàn)卓越的抗振性。
IC尺寸封裝實(shí)現(xiàn)隔離式功率傳輸
這款雙路輸出電源模塊的效率為60%,比傳統(tǒng)的偏置電源高一倍,這使功率密度翻倍。在105℃的環(huán)境溫度下,UCC14240-Q1的功率超過1．5W,支持工程師在高頻率下驅(qū)動(dòng)IGBT(絕緣柵雙極晶體管)、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)開關(guān)。
能夠支持碳化硅和氮化鎵很重要,因?yàn)殡妱?dòng)汽車電源系統(tǒng)正在走向更高電壓和更高功率的系統(tǒng),用碳化硅和氮化鎵功率開關(guān)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)更小和更高效的電源。這兩種半導(dǎo)體技術(shù)有很多優(yōu)點(diǎn),但需要比成熟的傳統(tǒng)IGBT更嚴(yán)格的柵驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)電壓,而且還需要在安全隔離柵上提供低電容和高CMTI的組件,因?yàn)樗鼈兡軌蛞愿斓倪吘壦俾是袚Q高電壓。
創(chuàng)新支持未來
向分布式電源架構(gòu)的轉(zhuǎn)變極大地提高了隔離高壓環(huán)境中的可靠性,滿足具有更低排放量、更長行駛里程、更好安全性和更高可靠性的車輛要求,并且能夠以更少的成本獲得更多的功能。只有電源技術(shù)的進(jìn)步才能使這些需求在電動(dòng)汽車中成為可能,這樣的創(chuàng)新有助于推進(jìn)電動(dòng)汽車的推廣和普及。
