新型功率器件减小系统体积
利用符合汽车标准的氮化镓(GaN)技术可以实现业界超快的实时控制环路,减小电感器和电容器等外部元件体积,将车载充电器和DC-DC转换器尺寸减小50%,同时减少所需的冷却器件和成本,从而延长行驶里程。
“用GaN等材料制成的宽带隙开关与经过优化的高速栅极驱动器一起使用,可以将磁性元件体积减小59%,实现两倍的功率密度,从而降低总体重量和成本,”周东宝说。
图:将系统成本和尺寸减半的设计要素
新型集成驱动器的GaN FET的栅极电容和输出电容都比硅器件更小,也没有传统GaN MOSFET寄生二极管的反向恢复问题,能以高达2．2MHz开关频率工作,开关损耗非常低。再结合定制的低寄生电感增强散热型贴片式封装,可提升两倍功率密度,大幅减小磁性元器件。
氮化镓功率器件内置数字温度采样功能可以提供实时温度信息,更灵活地实现动态的系统热管理。GaN FET集成了常用的过流、短路、过温和欠压等保护功能,客户无需外加分立电路。
与现有硅和碳化硅MOSET方案相比,使用氮化镓器件可使车载充电器和DC-DC尺寸减少50%。
图:智能隔离式栅极驱动器集成简化设计,减少PCB面积
MCU助推更高开关频率
要将集成式动力总成架构变为现实,还需要实时微控制器(MCU)处理电源转换的复杂需求。超低延迟的C2000?系列可以可以实现更高开关频率,提供高达925MIPS的处理能力,结合灵活配置的高精度PWM模块,可以轻松适配各种复杂的电源拓扑及更高阶控制算法,实现整个系统更高的效率。
图:实现超高功率密度和98%效率的能力
C2000实时MCU具有高即时指令集,如浮点运算单元和三角函数加速器,可以显著减少复杂计算所需周期数,在不提高开关频率的前提下提高整个环路效率,再结合氮化镓的高开关频率和低开关损耗特性,可显著减少磁性元器件尺寸,提高系统的效率和功率密度。
借助采用单个实时MCU的集成式动力总成,系统可以有效地处理分布式系统中多个MCU的工作。在高度集成的设计中,实时MCU可以执行数字电源和电机控制,提高效率。
此外,通过实时感测和更高环路开关频率,可以将牵引电机驱动到20krpm,使汽车工程师能够制造出比之前只能达到10krpm的设计小三分之一以上且性能更高的电机。
可靠性符合功能安全标准
电动汽车的可靠性也是设计中非常重要的方面,C2000系列内置丰富的模拟功能模块,如DC、DAC及比较器等,可以实现低至30ns内的响应时间,对故障诊断和保护做出反应。完全纯硬件响应不需要CPU模块参与,进一步提高系统的可靠性。
满足功能安全要求的隔离驱动器UCC5870系列15A的峰值电流驱动能力,可以满足大多数MOSFET和IGBT驱动的需求,加上优化散热系统设计的超小引线式175°C高精度温度传感器,客户不需要再外加额外的功率放大电路,保证整个开关管非常高效的开通和关断,从而达到更高的效率。
UCC5870系列可以在200ns内实现短路保护,共模抑制比达到150V/ns,可在更恶劣的噪声环境下保持可靠通信,保证正确驱动开关管的相应动作,实现更高的系统可靠性。UCC5870还内置了超过50多种功能安全相关机制,可以减少功能安全相关应用的成本。
图:提高电动汽车的可靠性和性能
在电动汽车中,系统可靠性至关重要。因为出现故障的零件更少,集成式动力总成架构更可靠。除了集成系统的固有优势之外,要确保在电动汽车高压电池环境中的可靠性,还需要强大的保护功能和峰值热性能。
借助针对严苛汽车环境设计和测试的隔离式栅极驱动器和调制器,隔离技术可帮助应对这些挑战。集成式诊断功能也是安全方程式的重要组成部分,可帮助动力总成系统符合ASIL D要求,这是道路机动车辆功能安全的最高级别要求,也是电动主机厂面临的一个主要难题。
Tier 1现身说法
深圳威迈斯新能源是一家Tier 1,2013年就是上汽、奇瑞汽车的供应商,目前客户有50多家,涵盖传统主机厂和造车新势力,其OBC和DC-DC市场占有率国内最大。
威迈斯副总裁韩永杰在介绍与半导体厂商在电动汽车领域合作情况时表示:“目前,新能源汽车的发展有两个明显的趋势,第一是提升性能,第二是降低成本,减少产品的体积和重量,而动力系统的集成正是未来发展方向。”
他以电动汽车电驱系统为例介绍说,目前比较流行的集成方式是把OBC和DC-DC两个盒子放在一个盒子里,接插件共用。威迈斯的磁集成是更深层次的集成方式,利用软硬件深度结合共享包括变压器在内的很多功率器件。
他介绍说威迈斯将OBC、DCDC、MCU、VCU及BMS多合一集成为电动汽车电驱系统,共用机壳、冷却系统甚至功率器件,有效降低了产品体积和成本。基于AUTOSAR软件平台和功能安全设计,融入以太网传输、车辆OTA智能升级以及网络信息安全防护等功能,为客户功能拓展、整车集成、轻量化和成本控制等多个方面带来效益。
他说:“集成对产品的实时控制和精度要求都非常高,C2000系列和UCC5870驱动芯片扮演了很重要的角色。利用先进半导体器件开发的产品功率密度高,体积非常小,客户整车布置灵活性非常高,对降低整车重量和空间有很大帮助。”
图:多合一集成电动汽车电驱系统
集成化方案让尺寸和成本减半
电动汽车市场正在快速增长,未来的增长取决于实现轻量化、延长续航里程和降低成本,并让主机厂有利可图。
综上所述,集成化解决方案提高了功率密度,可以从几个方面将系统尺寸降低50%,成本降低一半:多合一设计共享外壳及冷却系统,减少连接器数量;共享控制及功率电路等,降低电驱动系统体积和重量;简化功能安全系统开发和认证,而这些都与成本密切相关。
