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TI 推出增強型柵極驅動器UCC5880-Q1,電動汽車再“續航”

2023-06-01
作者:王潔
來源:電子技術應用

得益于電池技術的不斷進步以及整車系統優化和智能化控制,如今電動汽車的行駛里程已經有了十足的提升,目前純電動汽車最多可以跑大約700公里(部分車型配置甚至更高),但充電畢竟不像加油那么“痛快”,相關企業在延長行駛里程方面的努力不曾停止。

在電動汽車中,牽引逆變器(Traction Inverter)是電動汽車驅動系統中的一個重要組成部分,通常會裝在車尾,它通過將電池的直流電轉換為交流電、控制電機的輸出、對整車系統進行優化等方式,實現電動汽車的驅動和系統優化。牽引逆變器的效率和性能直接影響電動汽車單次充電后的行駛里程。

在電動汽車高電壓電源轉換以及電驅動設計中,設計者常常面臨四大挑戰:第一,設計更高效的牽引逆變器;第二,提高功率密度;第三,設計高可靠性的系統;第四,降低系統復雜度。

UCC5880-Q1增強型隔離柵極驅動器 可以解決以上四個挑戰。”德州儀器混動汽車/電動汽車部門總經理吳萬邦 (Mark Ng)表示,“使用 UCC5880-Q1 的可調驅動技術,設計人員可以根據工況提高牽引逆變器的整體效率;產品的高集成度還可以幫助客戶降低設計復雜度,并提高系統功率密度。同時,芯片符合功能安全 ASIL-D 設計標準,可以很大地提升系統的可靠性。”

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(圖源:TI公司)

更大限度地延長電動汽車行駛里程

對設計人員來說,牽引逆變器需要有更大的功率,還需要實現安全、可靠和高效。市面上,牽引逆變器產品的效率已經達到了 90% 以上,繼續優化是比較困難的,因為更高壓的設計需求和新半導體器件的使用,會帶來產品結構更迭和散熱限制等挑戰。據吳萬邦介紹,使用德州儀器的器件優化系統后,預估牽引逆變器的運行效率可以提升約 2%。

UCC5880-Q1 是一款最大 20A 的 SiC ,具有多種保護功能,適用于汽車應用中的牽引逆變器。其柵極驅動強度介于 5A 至 20A 之間,并且可通過一個 4MHz 雙向串行外設接口SPI總線或三個數字輸入引腳進行調整。圖 4 展示了實現可變柵極驅動強度的雙分離輸出的實現方案。

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UCC5880-Q1 的雙路輸出分離柵極驅動結構(圖源:TI公司)

通過以 20 A 到 5 A 的幅度實時改變柵極驅動強度,設計人員可以使用 UCC5880-Q1 柵極驅動器更大限度地減少 SiC 開關功率損耗,將系統效率提高多達 2%,從而將每次電動汽車充電后的行駛里程延長多達 11公里。對于每周為車輛充電三次的電動汽車用戶來說,年行駛里程可延長 1 600 多公里。

此外,UCC5880-Q1還符合 ISO 26262 功能安全設計標準,可以支持設計人員更快速、更安全、更高效地設計牽引逆變器系統。

目前汽車級UCC5880-Q1 現支持預量產,芯片采用 10.5mm x 7.5mm 32 引腳 Shrink Small-Outline Package (SSOP) 封裝,TI官網還提供技術文章并可申請評估板。

據悉,UCC5880-Q1現已有合作的項目是全球頭部的車廠和 Tier1,國內也有客戶已經開展合作,項目落實會在芯片正式量產之后。

面向系統提供整體解決方案

針對牽引逆變器趨勢,TI可以面向系統提供整體的解決方案。除了隔離式柵極驅動器,還包括 ASIL-D 的 MCU、C2000? 實時控制器、反激式控制器;針對分布式輔電等未來趨勢,TI還有全集成式的輔助供電模塊、隔離電壓/電流檢測采樣、隔離電源檢測等。

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面向整個系統引領市場的創新型 IP 開發(圖源:TI公司)

吳萬邦表示,TI 不只提供芯片級解決方案,還提供整套系統解決方案。TI和碳化硅模塊供應商 Wolfspeed 一起合作設計了一個800V/300kW的碳化硅牽引逆變器參考設計。除了原理圖和 PCB 布線,TI還提供實物可供客戶評估。這套系統的很多功能,包括柵極驅動、輔助供電、隔離供電、MCU,都是使用 TI 的芯片方案來完成設計的。

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800V/300kW SiC 電動汽車牽引逆變器參考設計(圖源:TI公司)

投資高壓電源技術

TI 同時也在投資高壓電源技術。在電動汽車中,高電壓技術不只會用在牽引逆變器中,還會用在車載充電器 OBC 和高壓轉低壓的 DC/DC 中。該技術涵蓋氮化鎵、隔離式柵極驅動器、輔助電源模塊、C2000 實時控制器四類產品。

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TI 正在投資研發高電壓電源轉換技術(圖源:TI公司)

TI 在高壓技術領域有三個目標。第一,通過半導體器件的創新,幫助用戶更大限度地減少開關損耗;第二,通過小體積設計,包括簡化外圍器件,幫助用戶提高功率密度;第三,通過技術創新,更大限度提高功率管的開關速度,并增強驅動強度。

吳萬邦透露,TI 在高壓半導體技術領域的投入非常大。TI內部有一條很大高壓技術產品線。TI的高壓技術不僅應用在汽車中,還應用在很多工業領域的設計中,包括高壓伺服和大功率逆變器。未來,TI會持續投入高壓技術,在隔離、驅動等領域實現技術創新和產品拓展。


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