[原创] 针对电动汽车普及痛点，德州仪器再发招
2021-10-10
14:00:35
来源: 半导体行业观察
到 2025 年，预计将有30%的新车为电动汽车。当下，阻碍电动车发展的最大挑战是成本和电池续航水平，众多汽车零部件和芯片厂商都在想方设法解决这两大难题。随着越来越多的公司接受电动汽车并对其技术进行创新，价格将持续下降，同时，行驶里程也在增加。由于行驶里程和充电站数量的增加，越来越多的消费者倾向于购买电动汽车。
电动汽车的核心是电池和电机。控制电机需要先进的电子器件，以确保平稳安全的行驶。在各种器件中，隔离式栅极驱动器是系统的关键部分，它通过开启和关闭IGBT或SiC MOSFET等器件来控制电流。同时，这些隔离式栅极驱动器需要合适的偏置电源来实现精确的控制。
工厂自动化和机器人等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，而汽车对安全和冗余的严格要求以及追求更轻重量的趋势变得更加重要，这就需要先进的分布式系统，而传统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。电动汽车动力系统需要采用更先进且体积更小的集成式变压器模块。
分布式系统优势众多。传统系统使用单一变压器为各个组件供电，这给现实应用带来了挑战。一是单一变压器体积大、成本高，并且占据相当大的空间，且在结构振动控制方面表现不佳。此外，一旦该变压器或电源出现问题，整个系统亦会瘫痪。而在分布式系统中，如果某个偏置电源或栅极驱动器出现故障，其余五个偏置电源仍在工作，汽车也将进入安全模式，自动停靠在路边等待下一步操作。分布式架构实现了体积更小、重量更轻，抗振性更佳的优点。
具有顶尖水平的芯片厂商正在进行这方面的研发工作，目标是帮助客户集成动力系统，以降低成本，简化设计，提高功能安全和增强可靠性。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，提高系统效率和功率密度。
德州仪器（TI）在这方面的技术处于世界领先水平，据该公司汽车系统工程与市场营销部门总监Ryan Manack先生介绍，其专有集成变压器技术的最新器件UCC14240-Q1有助于实现半分布式和分布式电源架构。UCC14240-Q1是一款占位面积小、精确度高的1.5W隔离式DC/DC电源模块，它可以将性能和功率密度提高到一个新的水平。
下面就与传统推挽转换器方面做一个对比，如下图所示，反激式和推挽式转换器的开关频率通常为550kHz及以下。这种较低的开关频率，导致变压器相对较大。在本例中，额定电压的有效值为2000VRMS的推挽变压器使用12mm×15mm的封装面积和11mm的高度。TI的集成变压器技术为系统带来了明显的尺寸效益。变压器集成在电路板内部，使解决方案与传统方案相比，高度降低至3.55mm。
UCC14240-Q1解决方案的额定绝缘电压更高，为3000VRMS。该款产品的绝缘性能经由100%的生产测试和独立的第三方认证。
UCC14240-Q1优化的不仅仅是尺寸，还有系统集成。推挽和反激式变压器需要几个分立元件来构建电路，包括整流器、缓冲器和电压调节器。TI的集成设计将这些功能融入到电路板中，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到两个电容的变压器设计，可将外部组件数量缩减超过60%。
下图所示为UCC14240-Q1在HEV/EV牵引逆变器中的应用，牵引逆变器使用三相来驱动电机。TI的隔离式栅极驱动器（如UCC5870-Q1）用于驱动半桥开关。图右半部分显示的UCC14240-Q1可用于一个完全分布式系统的每个隔离式栅极驱动器。
在一些系统中，当低侧共享相同的电位时，一个UCC14240-Q1可能就足够了，这被称为半分布式供电系统。
除了以上介绍的，这个模块还有很多功能。例如，它的一个重要特点是其初级到次级电容非常低，仅为3.5pF。反激式和推挽式电路中常用的变压器存在初级到次级电容的问题，大概从10pF到35pF，因为它们必须限制电路中的漏感并将绕组推得更近。TI的集成变压器技术限制了这种电容，当与软开关控制方案结合使用时，可以限制EMI。而且，这种低电容对于支持 SiC 和 GaN 等快速开关应用至关重要，它们可以支持高达150伏每纳秒的压摆率。
在功率系统中，SiC和GaN是未来发展趋势，它们的栅极电压都需要具有小于1%的精度以确保最高效率。UCC14240-Q1不仅提供正负输出用于优化开关，还具有闭环调节功能，能够在-40℃到150℃的汽车温度范围内将两个输出电压调节到1%的精度范围以内。
另外，UCC14240-Q1引脚可用于支持电源排序，它有一个专用的电源引脚，可为系统提供故障报警。为确保平稳上电，它还具有软启动保护，过功率及过温保护功能。
UCC14240-Q1解决方案可以用于电路板的顶部和底部，具有很好的应用灵活性。
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