《電子技術應用》
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                                                應對高成本和里程焦慮,TI 為電動汽車普及再發力

                                                2021-10-18
                                                作者:王潔
                                                來源:電子技術應用

                                                我國新能源汽車正在高速發展。今年以來,新能源汽車產銷快速增長,與傳統燃油車走勢形成強烈差異化的特征,對燃油車市場的替代效應逐漸顯現。據公安部交通管理局消息,截至2021年9月,全國新能源汽車保有量達678萬輛,占汽車總量的2.28%。其中純電動汽車保有量552萬輛,占新能源汽車總量的81.53%。根據中汽協發布的數據,9月,我國新能源汽車銷量首次突破35萬輛,創歷史新高。

                                                與此同時,隨著政府“雙碳”戰略的推進,新能源汽車也迎來了重要的發展機遇。根據摩根大通預測,到 2025 年,電動汽車在全球汽車銷量的占比將增至 30% 。而當前阻礙電動汽車在消費者中普及的關鍵因素則是購買價格和行駛里程。

                                                價格是電動汽車繞不過去的一環,從購置開銷開看,以比亞迪唐為例,EV版比燃油版貴了近十萬;使用開銷呢,充電過程中額外會帶來停車費開銷,充電價格優勢又不太明顯,如今每千瓦時的平均電價已超過1000美元。好消息是到2024年,價格預計將跌至100美元以下。隨著越來越多的公司接受電動汽車并對其技術進行創新,價格將繼續下降。

                                                隨著價格的下降,電動汽車的行駛范圍正在增加?,F在新款的電動汽車一次充電實際行駛里程已達480公里以上。隨著行駛距離和充電站數量逐漸增加,越來越多的消費者愿意購買電動汽車。 

                                                在電動汽車技術發展之路上,TI以獨特優勢引領著技術進步與創新。TI汽車系統工程與市場營銷部門總監Manack Ryan表示,TI的目標是降低汽車制造商的生產成本和消費者的購買價格,進而使得電動汽車得到更廣泛的應用。

                                                改用分布式架構

                                                由于成本較低,集中式架構解決方案歷來廣受歡迎,其使用一個中央變壓器和一個偏置控制器來為所有柵極驅動器生成偏置電壓。但這種架構給實際應用帶來了很大挑戰,單一變壓器體積大、成本高,并且占據相當大的空間,且在結構振動控制方面表現不佳。此外,集中式架構的電源缺乏冗余,一旦偏置電源中的單個元件出現故障,整個系統亦會癱瘓。

                                                部署分布式架構則可防止電源故障,從而打造更可靠的系統。動力總成系統內的安全冗余和備用電源已成為確保安全性和可靠性的標配。分布式電源架構可為每個柵極驅動器分配一個與其靠近的專用的、本地的、方便調節的偏置電源,以滿足電動汽車應用環境中的可靠性要求,因此可以提供冗余并提高系統對單點故障的反應能力。

                                                在分布式系統中,如果某個偏置電源或柵極驅動器出現故障,其余五個偏置電源仍在工作,汽車也將進入安全模式,自動??吭诼愤叺却乱徊讲僮?。分布式架構實現了體積更小、重量更輕,抗振性更佳的優點。

                                                Manack Ryan表示,TI的技術和專業知識可以幫助客戶集成動力系統,以降低成本,簡化設計,提高功能安全,增強可靠性。動力系統集成還能夠通過在更小的解決方案中實現更高的功率來擴展驅動范圍,提高系統效率,并提高功率密度。

                                                更小的集成變壓器模塊——UCC14240-Q1

                                                外部變壓器偏置電源(如反激式和推挽式控制器)很高、很重且占用面積較大,阻礙了分布式架構在輕型電子設備中的使用。電動汽車電源系統需要更先進的器件,即更小的集成變壓器模塊。為此,TI近期發布了全新的UCC14240-Q1隔離式直流/直流偏置電源模塊,它可將變壓器和元件集成到一個經優化的、具有低高度的平面磁性元件模塊解決方案中,有助于實現半分布式和分布式電源架構。

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                                                UCC14240-Q1隔離式直流/直流偏置電源模塊(圖源:TI公司)

                                                UCC14240-Q1是業界最小、最精確的1.5W隔離式DC/DC電源模塊。使用該產品,可以將性能和功率密度提高到一個新的水平,同時通過簡單易用的設備更快地進入市場。

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                                                UCC14240-Q1 VS. 傳統解決方案(圖源:TI公司)

                                                將傳統解決方案與TI的UCC14240-Q1進行比較,可以發現反激式和推挽式轉換器通常以低于中波(AM)無線電頻段的開關頻率工作,開關頻率為550kHz及以下。這種較低的開關操作頻率,加上高壓系統需要的爬電距離和電氣間隙,導致變壓器相對較大。在本例中,額定電壓的有效值為2000VRMS的推挽變壓器使用12mm×15mm的封裝面積和11mm的高度。

                                                相較而言,TI的集成變壓器技術為系統帶來了明顯的尺寸效益。變壓器集成在電路板內部,與傳統方案相比,尺寸降低了7mm以上,縮小了一半面積并將厚度降低至3.55mm。此外,TI解決方案的額定絕緣電壓更高,為3000VRMS。該款產品的絕緣性能經由100%的生產測試和獨立的第三方認證。

                                                此外,該款產品使用專有集成變壓技術,UCC14240-Q1將整流器、緩沖器和電壓調節器等功能融入電路板中,消除了對復雜外部組件的需求,為設計工程師節省了大量的開發時間。通過集成變壓技術,工程師可將其解決方案的體積縮小75%,并將BOM組件數量從26個縮減至10個。

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                                                UCC14240-Q1特性(圖源:TI公司)

                                                由于UCC14240-Q1具有尺寸和效率方面的優勢,因此可實現更高的功率密度和系統效率,使汽車在每次充電后行駛更遠的里程。這款雙路輸出電源模塊的效率為60%,比傳統的偏置電源高一倍,這使得功率密度翻倍,而且有助于提高汽車行駛里程。該器件的輸出功率旨在支持多種汽車應用,在105°C的環境溫度下,UCC14240-Q1的功率超過1.5W,支持工程師在高頻率下驅動絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開關。

                                                UCC14240-Q1的另一個特點在于實現更低的EMI。由于其初級到次級電容非常低,僅為3.5pF,而傳統反激式和推挽式電路中常用的變壓器存在初級到次級電容的問題,大概從10pF到35pF,因為它們必須限制電路中的漏感并將繞組推得更近。TI的集成變壓器技術限制了這種電容,當與軟開關控制方案結合使用時,可以限制EMI。

                                                UCC14240-Q1不僅提供正負輸出用于優化開關,還具有閉環調節功能,能夠在-40℃~150℃的汽車溫度范圍內將兩個輸出電壓調節到±1%的精度范圍以內。由于器件容差小,因此可以使用更小的電源開關,同時增強過流保護。此外,該器件全面集成了故障監控、過流保護、過功率保護和過熱保護。還具有經第三方認證的3kVrms隔離電壓,而且因為很輕的重量和3.55mm的厚度,可實現卓越的抗振性。

                                                Manack Ryan最后表示,這是目前市場上最小的解決方案,它可以用于電路板的頂部和底部,從而為設計提供更大的靈活性。為了更多消費者更放心地購買電動汽車,諸如TI這類技術創新者正在持續努力,不斷攻克電動汽車普及之路上的各項技術痛點,打消各種可能的顧慮,為電動汽車的廣泛推行發揮著積極作用。

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