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[导读]日前,TI针对电动汽车推出专有集成变压器技术的最新器件UCC14240-Q1,TI汽车系统工程与市场营销部门总监Manack Ryan为记者介绍了这款器件的细节和诞生背景。

电动汽车作为近年来的行业热点,由于其对温度和可靠性的高要求,很多集成电路相关公司都将电动汽车市场作为其最终目标。在这样的大背景下,进一步提高电动汽车普及率势必要降本增效。

日前,TI针对电动汽车推出专有集成变压器技术的最新器件UCC14240-Q1,TI汽车系统工程与市场营销部门总监Manack Ryan为记者介绍了这款器件的细节和诞生背景。

普及电动汽车,分布式电源架构是重点

Manack Ryan向记者展示一组数据表示,在降低排放的背景下,汽车正向电动过渡,预计2025 年电动汽车销售占比将增长至30%。如此巨大增长下,购买价格和行驶里程是阻碍电动汽车在消费者中普及的关键因素。

在电价方面,如今每千瓦时平均电价已超过1000美元,预计2024年价格将跌至100美元以下。在行驶里程上,最新的电动汽车一次充电可以行驶480公里以上。随着充电站数量的增加,越来越多的消费者希望能够购买电动汽车。

据介绍,电动汽车的核心是高压电池和电动机,其中高性能和高效的电动机是内燃机的替代品。与内燃机相比,电动机在较低的速度下可以产生更大的扭矩,更简单易用,运动部件更少,因此维修也更容易。除此之外,电动起还可以作为发电机以在制动时获取能量。当然,控制电动机的前提是先进的电子器件,以确保平稳安全的行驶。

TI 是逆变器和电机控制的创新者,开发C2000和基于ARM内核的MCU、电流和电压传感器、信号隔离器、通信芯片和隔离式栅极驱动器等技术。隔离式栅极驱动器是系统的关键部分,它通过开启和关闭IGBT或SiC、MOSFET等器件来控制在电机中流动的能量。这些隔离式栅极驱动器需要合适的偏置电源来控制SiC FET或IGBT。

根据TI的洞察,电动汽车动力系统需要采用更先进且体积更小的集成式变压器模块。改用分布式电源架构,能够大大提高隔离式高压环境中的可靠性,减少设计周期与组件数量,缩小尺寸和重量。

Manack Ryan表示,分布式系统优势众多,分布式电源由六个偏置电源组成,且能够将解决方案尺寸缩小至3.5mm高,能够焊接在PCB的每个方面。

传统系统使用单一变压器为各个组件供电,这为现实应用带来了挑战。一是单一变压器体积大、成本高,并且占据相当大的空间,且在结构振动控制方面表现不佳;此外,一旦该变压器或电源出现问题,整个系统亦会瘫痪。

而在分布式系统中,如果某个偏置电源或栅极驱动器出现故障,其余五个偏置电源仍在工作,汽车也将进入安全模式,自动停靠在路边等待下一步操作。分布式架构实现了体积更小、重量更轻,抗振性更佳的优点。

“TI的目标是降低汽车制造商的生产成本和消费者的购买价格,为使得电动汽车得到更广泛的应用,特此推出UCC14240-Q1这一新品”,Manack Ryan表示,TI的技术和专业知识可以帮助客户集成动力系统,以降低成本和简化设计,提高功能安全和增强可靠性。动力系统集成还能够通过在更小的解决方案中实现更高的功率来扩展驱动范围,提高系统效率,并提高功率密度。

硬核集成模块,实现跨越分布式电源架构

TI全新发布的UCC14240-Q1便是有助于实现半分布式和分布式电源架构的器件。UCC14240-Q1是业界最小、最精确的1.5W隔离式DC/DC电源模块,该产品可将性能和功率密度提高到一个新的水平,同时通过简单易用的设备更快地进入市场。

传统来说,反激式和推挽式转换器通常以低于中波(AM)无线电频段的开关频率工作,开关频率为550kHz及以下。这种较低的开关操作频率,加上高压系统需要的爬电距离和电气间隙,导致变压器相对较大。额定电压的有效值为2000VRMS的推挽变压器使用12mm×15mm的封装面积和11mm的高度。

反之,TI的集成变压器技术为系统带来了明显的尺寸效益。UCC14240-Q1与传统解决方案与相比降低了7mm以上,缩小一半面积并将厚度降为3.55mm。此外,TI解决方案的额定绝缘电压为更高的3000VRMS。该产品的绝缘性能经由100%的生产测试和独立的第三方认证。

该产品使用专有集成变压器技术,工程师可将其解决方案的体积缩小75%,并将BOM组件数量从26个缩减至10个。根据Manack Ryan的介绍,传统推挽式和反激式变压器需要几个分立元件来构建电路,包括整流器、缓冲器和电压调节器。TI的集成设计将这些功能融入电路板中,消除了对复杂外部组件的需求。只需安装一个去耦电容和电压+电流设置电阻即可使用,不再需要反激式和推挽式电路中常见的平衡漏感和一个到二个电容的变压器设计,为设计工程师节省了大量的开发时间。

从器件本身来讲,UCC1420-Q1的硬参数非常强大。集成变压器具有3.5pF的初级到次级电容,针对EMI性能和瞬态抗扰度进行了优化;闭环控制可在零下40°C至150 ° C范围内可实现±1.0%精度的双输出;可实现驱动隔离式IGBT、SiC和GaN的高频开关以及超过150V/ns的CMTI性能;完全集成了故障监控、过流保护、过功率保护和过热保护;借助更轻的重量和3.55mm的厚度,可实现卓越的抗振性。

该产品提供具有极高可靠性的功能,让引脚可用于支持电源排序。此外,产品还提供了一个专用的电源引脚,可使MCU感知输出调节。该引脚还可为系统提供故障报警。为确保平稳上电,它还包括软启动保护,过功率及过温保护。

“这是目前市场上最小的解决方案,可以用于电路板的顶部和底部,从而为设计提供更大的灵活性。UCC14240-Q1的主要目标就是进一步简化设计过程”,Manack Ryan如是说。

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