电动汽车中的电源转换系统

出处:维库电子市场网 发布于:2024-06-27 16:34:18

  随着汽车制造商努力降低电动汽车成本,高效且可持续的电源转换系统对于满足不断增长的需求和功率要求至关重要。为此,采用宽带隙 (WBG) 半导体,例如碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN),可以实现高效、强大且长期经济高效的电源解决方案。在此基础上,顶部冷却等创新技术可以帮助设计人员实现热性能并降低装配费用。
  电力转换系统

  电动汽车中的电源转换系统,尤其是车载充电器和 DC-DC 转换器,对于管理车辆内的电流、优化充电过程和促进各种电源的集成至关重要。这些电源转换系统对于电动汽车的整体性能、效率和用户体验至关重要。它们的正常运转对于限度地提高电动汽车的续航里程、可靠性和功能性至关重要,使它们成为向可持续交通转型过程中不可或缺的一部分。

  图 1.电动汽车中的 OBC 和 DC-DC 电源转换系统。图片由Bodo's Power Systems 提供  [PDF]

  不断提高的功率水平、双向操作支持 (V2X)以及 800 V 电池系统的更快采用,为 OBC 和 DC-DC 电源系统带来了新的复杂性——由于更高的功率密度、效率和总体成本要求,这种复杂性进一步加剧。

  图 2. 当前电动汽车要求。图片由 Bodo's Power Systems 
  利用宽带隙半导体

  SiC 和 GaN 半导体通过实现前所未有的效率和性能水平,同时与具有成本效益的硅 (Si) 技术共存,彻底改变了汽车系统的功率转换。与基于 Si 的设计相比,基于 SiC 的设计在各种温度范围内都具有高稳定性和高效率,同时显著降低了开关和传导损耗,从而实现了性能和热效率。另一方面,GaN 在更高的开关频率和几乎无损的开关下提供了无与伦比的效率,从而实现了更小、更紧凑的设备。

  图 3. SiC 和 GaN 半导体的主要优势。图片由Bodo's Power Systems 提供 

  虽然 GaN 和 SiC 本身都具有许多优势,但将它们结合使用时,效果才真正出众。它们共同为汽车电源转换系统提供了效率、紧凑性和经济实惠的完美结合。设计人员可以利用这种组合来实现功率密度和热效率,同时实现新的拓扑结构,从而提高车辆性能和续航里程。

  图4展示了此类系统的典型实现。
  图 4. 1200 V 和 750 V SiC MOSFET 原理图。图片由Bodo's Power Systems 提供  [PDF]
  越来越多的制造商正在采用这些拓扑,因为它们与前几代相比更加简单。例如,在 11 kW 设计的 PFC 阶段,与 Gen 1 拓扑中使用的 18 个晶体管(3x 单相交错)相比,Gen 2 拓扑仅使用 8 个晶体管(三相 B6 或 VSC)。只需减少晶体管数量,设计就会变得更简单。
  电动汽车电源系统的挑战和复杂性
  新的拓扑结构还使用更少的栅极驱动器,并允许单个微控制器接管电源两个阶段(即 PFC 和 HV-HV DC-DC)的控制环路。为了进一步简化设计,一些制造商决定消除分立器件,并使用具有三到四个集成半桥的模块。
  尽管这种方法大大简化了设计并降低了 OBC 的冷却和开发成本,但它并没有优化功率密度和效率。这是因为 EMI 滤波器设计和 PFC 扼流圈需要付出巨大的努力,因为它们需要在比为 Gen 1 拓扑设计的电压更高的电压下进行滤波和切换。当然,在更高的电压下,开关频率不能很高(例如,PFC 95.5%)。一些出版物已经证明,在 B6/B8 拓扑中添加 ZVS 单元可以进一步提高效率并以更高的元件数量为代价实现更高的开关频率。
  此外,PFC 转换器的输出没有可用的 900 V-1000 V 铝电容器。因此,当 B6 拓扑配置为与单相电网(例如 B8)一起工作并补偿 100 Hz/120 Hz 纹波时,设计人员需要使用 450 V-500 V 铝电容器的串并联布置来实现存储能量所需的电容。

  采用 650 V-750 V 晶体管的拓扑结构可以进一步提高功率密度和效率,同时降低系统成本。此类拓扑结构仍可与三相电网和 800 V 电池架构兼容。要实现这一点,需要采用如图 5 所示的多级转换器。

  图5中,左侧两种拓扑为硬开关PFC,上图为飞跨电容拓扑,下图为有源中性点箝位拓扑;右侧拓扑为谐振HV-HV DC-DC转换器,上图为多级CLLC,下图为多级DAB。
  图 5. 使用 WBG 器件的多级转换器拓扑。图片由 Bodo's Power Systems提供 [PDF]

  随着汽车行业的不断发展,可持续设计对于减轻汽车对环境的影响至关重要。通过优先考虑环保材料、节能动力系统和可回收部件,汽车解决方案有助于减少碳排放和节约自然资源。在电力转换系统中,这将在优化过程中发挥关键作用,不仅对于材料选择及其可回收性,而且对于降低未来电力系统的重量和成本也起着重要作用。

  图 6. 电源转换系统中不同组件的重量贡献。图片由 Bodo's Power Systems  [PDF]提供

  汽车电源系统中的 GaN 和 SiC 实用实现
  GaN 的卓越开关能力和高频操作使新型电力电子拓扑能够实现更高的效率和功率密度。GaN 不仅减少了外壳数量,还减少了电工元件(包括大量稀有材料)的尺寸和数量,从而减轻了系统的整体重量,为提高可持续性做出了重大贡献。

  通过在制造 GaN 功率晶体管时引入横向结构,可以设计双向开关 (BDS)。这种 BDS 将具有双向阻断电压能力,而无需将 R DS(on)加倍,从而实现颠覆性拓扑,可在功率密度、可靠性、成本和外部元件要求方面带来巨大好处。

  图 7(左)展示了一种高度模块化的方法,其中包括磁性集成。与 Gen 1 方法类似,每个模块为三相电网中的每个相供电,从而实现 650 V 设备。根据电池电压,设计人员可以选择 650 V GaN 或 1200 V SiC 晶体管。
  图 7(右)显示了矩阵或循环转换器 - 创新设计的潜在候选方案。这种拓扑结构可以轻松实现,在初级侧使用两个背对背连接的 1200 V 分立器件,在次级侧使用普通器件。这里的挑战是根据适当的功率等级和预期的功耗选择低欧姆器件,以获得每个位置正确的总 R DS(on)(双向开关的 R DS(on)是单个器件的两倍)。
  图 7.采用磁性集成 650 V GaN 和 1200 V SiC 晶体管(左)以及环转换器的模块化 Gen 2 方法。图片由Bodo's Power Systems 提供  [PDF]
  该拓扑结构完全谐振,可以是 LLC 或 DAB,开关频率范围取决于输出负载和输入供电条件。由于这是一个真正的三相拓扑结构,考虑到可能发生的输入电压和电压突升,真正的双向 GaN 开关的击穿电压应为 900 V。英飞凌正在积极设计汽车 BDS GaN 开关,以便制造商可以批量生产这些第三代拓扑结构。
  顶部冷却
  除了使用宽带隙技术来提高效率外,器件封装和冷却也成为方程式中的一个重要部分,并在实现功率密度更高的OBC 设计中发挥关键作用。虽然 TO-247 和 TO220 等通孔器件 (THD) 封装仍广泛应用于许多应用中,但它们的缺点是制造成本高,并且需要手动插入 PCB 后再焊接到电路板的底面上。出于这些原因,THD 正越来越多地被表面贴装器件 (SMD) 取代,表面贴装器件的贴装可以自动化,从而提高吞吐量和可靠性。
  SMD 封装通过底部冷却 (BSC) 或顶部冷却 (TSC) 散热。虽然 BSC 和 TSC 封装都可以使用自动拾放机器进行组装,但 TSC 比 D2PAK 和 DPAK 等 BSC 封装具有多项优势,后者将芯片产生的热量向下传导至板载设备的底部。这种导热方向是一个缺点,因为 PCB 并未针对非常高的导热性进行优化,并为 BSC 设备创建了相当大的热屏障,需要额外的热通孔才能让多余的热量安全消散。
  这种方法的一个负面后果是,它使 PCB 布线更加困难,因为电路板的大面积被分配给了散热元件。绝缘金属基板 (IMS) 板可以提高 BSC 设备的热性能,但这些板比传统的 FR4 PCB 更昂贵。
  TSC 技术的采用尤为引人注目,并将影响未来的电源转换系统设计。在 TSC 设备中,半导体芯片产生的热量从封装顶部排出,封装顶部有一个裸露的焊盘,上面安装有一块冷板(散热器),如图 8 所示。

  这种方法可将热阻降低高达 35%,并将热路径与 PCB 上的电气连接分离。这非常重要,因为它使 PCB 设计更简单、更灵活,并带来了更小的电路板面积、更高的功率密度和更低的电磁干扰 (EMI) 等额外优势。此外,更高的热性能也消除了电路板堆叠的需要。因此,这种设计无需将 FR4 和 IMS 电路板组合在一起,而是使单个 FR4 足以满足所有组件的需求,并且需要更少的连接器。

  图 8. 采用顶部冷却 (TSC) 的半导体器件。图片由 Bodo's Power Systems提供
  TSC 的这些特性减少了总物料清单,从而降低了总系统成本。TSC 还有助于优化电源环路设计,以提高可靠性。这是因为驱动器可以放置在非常靠近电源开关的位置。驱动器开关的低杂散电感降低了环路寄生,从而减少了栅极上的振铃,提高了性能,并降低了故障风险。此外,封装概念符合 JEDEC 标准且无需支付费,这使得第二来源制造变得简单,许多供应商都可以使用,而市场上的其他概念是专有的,不易复制。
  图 9 总结了 TSC 技术的主要优势。
  英飞凌已为其许多功率器件开发了采用 TSC 的双 (DDPAK) 和四 (QDPAK) SMD 封装,包括 CoolSiC G6 肖特基二极管系列、新型 SiC MOSFET 系列(750 V 和 1200 V 器件与 650 V Si SJ CoolMOS 配对)以及未来基于 GaN 的 CoolGaN 产品。此外,低压功率 MOSFET 已采用 TSC TOLT 封装,这使得 OBC 的整个系统以及 DC-DC 转换器都已为 TSC 制造做好准备。这些器件的热性能与 THD 器件相当,甚至具有更好的电气性能。

  QDPAK 和 DDPAK SMD TSC 封装的标准高度为 2.3 毫米,同时提供高压和低压替代方案,有助于使用具有相同高度的组件设计完整的应用,如 OBC 和 DC-DC 转换器。与基于 3D 冷却系统的现有解决方案相比,这降低了冷却费用。

  图 9.英飞凌的顶部冷却 QDPAK 平台适用于未来的电源转换系统。图片由 Bodo's Power Systems提供 [PDF]
  更多探索
  虽然 SiC 和 GaN 技术在提高电源解决方案效率和功率密度方面占据主导地位,并且它们对于限度地减少能量损失、延长行驶里程和实现电动汽车的更快充电至关重要,但有效的热管理在实现电气性能和减小电源解决方案的尺寸、重量和成本方面也发挥着重要作用。
  创新的封装设计可实现顶部冷却,从而实现比基于 IMS 的同等解决方案更好的热性能。其更简单的结构消除了多板组件,从而减少了组件数量和成本,尤其是连接器。这显著提高了性能并减少了组装时间和费用。
  还有更多的空间需要探索,目前创新阶段有几种关于更紧凑、更坚固、面向未来的封装的想法,有可能为电源转换设计人员提供许多优势,以提高功率密度、可制造性、效率和系统成本。
  使用电路板的两面可显著提高功率密度,同时减少系统中的寄生元件。虽然 TSC 可能看起来很“新”,而且在很多方面确实如此,但该解决方案的独特之处在于它使用久经考验的技术,例如间隙填充物(带或不带热界面材料),以产生一种优雅且重要的是可靠的解决方案。
关键词:电动汽车

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