彻底改变电动汽车中铜的使用方式

出处:维库电子市场网 发布于:2024-07-10 16:14:59

  辅助电源,又称辅助电源模块(APM),是电动汽车中必不可少的元件。其主要功能是将电力从牵引电池高效传输到低压电气负载和 12V 电池。
  随着电动汽车行业的不断发展,APM 的设计面临着越来越严峻的挑战。这些问题包括要求更高的额定功率、更宽的电压范围、更高的可靠性和更高的功率密度,同时还要保持高效运行。
  本文讨论了基于智能氮化镓IC的高压至低压隔离反激式转换器。该转换器旨在用作电动汽车的辅助电源。其目的是在主电源发生故障时保证汽车安全关键部件(尤其是牵引逆变器)的稳定供电电压(约 15-18 V)。本文提供的信息来自2 月份在APEC 2024上发表的演讲。
  智能 GaN
  汽车市场的大幅增长推动了对先进电子元件的需求。这需要开发高度集成的智能系统解决方案。GaN 技术凭借其智能和集成功能,提供了引人注目的解决方案。值得注意的是,GaN 在高频域内表现出卓越的开关行为,使其非常适合电动汽车行业不断发展的格局。GaN 解决方案的集成有望为新一代智能、高效和面向未来的电动汽车铺平道路。
  集成智能 GaN 技术将单片功率级与驱动和控制电路相结合,为现代电力电子应用提供了显著的优势。这种创新方法通过限度地减少寄生电感来实现紧凑的设计,从而提高了稳健性和系统可靠性。
  此外,集成智能 GaN 还具有高性能优势。其高频工作能力意味着更低的电磁干扰和更好的散热。这些综合优势使集成智能 GaN 成为下一代电力电子系统的技术。
  设计中使用的智能 GaN IC 是 650 V eGaN 功率级,带有驱动器和保护装置,采用 QFN 封装。该 IC 的主要技术特性如下:
  漏源电压 (V DSmax ):650 V
  电源电压工作范围(V CC):18–36 V
  高压电源工作范围 (V SUPPLY ): 20–650 V
  典型导通电阻 (R DS(on) ):190/410 mΩ
  该芯片的内部框图和引脚分布如图 1 所示,包括电流模式控制、可调软启动、开启 dV/dt 和高达 500 kHz 的快速开关能力等功能。为了减小电路板尺寸并提高功率密度,选择了 230-250 kHz 的特定开关频率作为标称换向率。

  智能 GaN IC 的内部框图。

  图 1:智能 GaN IC 的内部框图(来源:Scrimizzi 等,2024 年)
  智能 GaN IC 集成了一套集成保护功能,旨在提高系统可靠性并确保安全运行。这些功能包括:
  过温保护:当系统达到不安全的工作温度时,此保护措施会自动关闭系统,防止热失控和潜在损坏。
  过流限制:此保护限制系统内的电流,防止可能导致组件故障的过大电流负载。
  带断续模式的输出过载保护:如果发生输出过载,系统将进入“断续模式”,以受控速率循环开启和关闭,直到过载情况得到解决。这可保护系统免受损坏,同时允许在正常工作条件下自动恢复。
  带突发模式的输出过压保护:此功能可防止电压尖峰超过指定的输出限制。在这种情况下,系统进入“突发模式”,提供短时间的功率突发以维持功能,同时防止过压事件造成损坏。
  静电放电 (ESD) 保护:这种集成保护可保护系统免受 ESD 的影响,ESD 是导致电子元件损坏的常见原因。

  演示板

  图 2 显示了组装好的应用演示板。靠近 QFN 封装中的智能 GaN IC(U1),我们可以看到用于频率选择的无源网络(C5 和 R4)。反激式转换器的次级侧是钳位网络,由 R9、C6 和 D3 组成。反馈电路包括光耦合器(U2)和可调分流电压基准(D1)。T1 是 Würth Elektronik 750343808 反激式变压器。

  应用演示板。
  图 2:应用演示板(来源:Scrimizzi 等,2024 年)
  对于PCB,选择了四层叠层,其结构如下:
  第 1 层:主电源路径
  第 2 层:电源地
  第 3 层:信号地
  第四层:反馈回路
  性能测量
  演示板的性能是通过应用V IN = 400-V 输入电压和f SW = 230-kHz 开关频率以及取决于具体测试的其他参数(如下所述)来测量的。目标输出电压为V OUT = 15 V。
  突发模式和 DCM 切换
  图 3 显示了I OUT = 0.05 A时获得的突发模式开关波形。这些波形显示了正常运行开始时轻载电流高达 0.4° 时的突发模式操作。

  图 4 显示了I OUT = 1°时获得的不连续传导模式 (DCM) 下的开关波形。漏极-源极电压 (V DS ) 的振荡和额外的电压平台是由变压器磁化电感和反射电压引起的。

  突发模式开关波形。
  图 3:突发模式开关波形(来源:Scrimizzi 等,2024 年)

  DCM 开关波形。

  图 4:DCM 开关波形(来源:Scrimizzi 等,2024 年)
  在连续导通模式 (CCM) 下,转换器的平均总功耗(开关和导通)经测量为 2.2 W,下降时间为 5.6 ns,I OUT = 4.5 A。在 CCM 模式下运行时,该设备可提供高达 68 W 的输出功率,确保效率达到 87.23%。
  对于动态负载变化(I OUT从 1 到 3 A 变化),转换器保持良好的稳定性。对于较小的负载电流(I OUT从 0.05 到 1 A 变化),没有测量到转换器输出电压水平的明显变化(约 450 mV)。
  在开路负载条件下 ( I OUT = 0 A),输入功率引脚的测量值为 600 mW。为了产生所需的 V CC电压,使用了变压器的第三绕组。
  已通过外部加热设备测试了过温保护功能。此后,由于 OTP 检测,开关操作在 175°C 时被禁止,并在温度下降时再次启用。
  类似地,通过在输出端施加短路,OVLD 保护会停止开关操作,当短路消除后,开关操作会恢复。
  智能集成简化了汽车应用的复杂性,确保了经济高效且性能卓越的解决方案。无缝组合 DC/DC 转换器等组件可优化高频高压环境中的效率,限度地减少开关损耗。
  安全至关重要,过流和温度保护可提高应用设计的可靠性。此外,软启动和过载保护等功能可确保选择正确的应急电源,凸显了智能集成在汽车创新中的关键作用。

关键词:电动汽车

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