TI助力電車(chē)續航：年行駛里程可延長(cháng)多達1600公里

日前德州儀器推出了一款高集成度的功能安全合規型隔離式柵極驅動(dòng)器，在設計方案更加安全高效的基礎上，能夠有效延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程。據介紹，全新 UCC5880-Q1 增強型隔離式柵極驅動(dòng)器提供的功能可使電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成工程師能夠在提高功率密度、降低系統設計復雜性和成本的同時(shí)實(shí)現其安全和性能目標。

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的不斷普及，續航問(wèn)題一直是消費者在電車(chē)油車(chē)之間選擇的最大糾結點(diǎn)之一。提升續航能力有很多種方式，例如整車(chē)輕量化、提升電池密度、車(chē)型設計更符合空氣動(dòng)力學(xué)等等，但作為一家半導體企業(yè)，TI從車(chē)輛驅動(dòng)角度考慮，使用高集成度的驅動(dòng)器來(lái)達到車(chē)輛續航的目的。

TI中國汽車(chē)半導體事業(yè)部技術(shù)支持經(jīng)理郭津表示，TI在半導體創(chuàng )新領(lǐng)域有四大目標：第一，幫助用戶(hù)更大限度地延長(cháng)汽車(chē)行駛里程；第二，幫助客戶(hù)改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的充電性能和效率；第三，通過(guò)半導體技術(shù)的創(chuàng )新和更迭，讓電動(dòng)汽車(chē)變得更加經(jīng)濟實(shí)惠；第四，因為汽車(chē)行駛涉及安全問(wèn)題，TI致力于幫助客戶(hù)設計安全可靠的電動(dòng)汽車(chē)。

關(guān)鍵的驅動(dòng)設計

會(huì )上TI重點(diǎn)介紹了電驅動(dòng)應用，也就是牽引逆變器中的驅動(dòng)技術(shù)。下圖是一個(gè)三電系統的示意圖，中間的方塊是動(dòng)力電池，牽引逆變器通常會(huì )裝在車(chē)尾。

談及可調驅動(dòng)為什么重要，TI向我們介紹，碳化硅可以實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)速度，從系統效率的角度來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)速度越快，開(kāi)關(guān)損耗越低，效率也就越高；從系統可靠性的角度來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)速度越快，可能導致更大的電壓過(guò)沖，進(jìn)而影響模塊可靠性。TI提供的可調驅動(dòng)功能可以讓用戶(hù)實(shí)現開(kāi)關(guān)速度和電壓過(guò)沖的平衡。

在一次放電周期中，很多時(shí)間下電池工作在電量不充足的狀態(tài)，此時(shí)，減小開(kāi)關(guān)損耗、提升效率就比較難實(shí)現。通過(guò)對系統不同工況下的驅動(dòng)能力調節，以及每次開(kāi)關(guān)周期中導通和關(guān)斷電流能力的調節。具體來(lái)說(shuō)，在滿(mǎn)電狀態(tài)下，比如超過(guò) 80%，系統更關(guān)心電壓過(guò)沖不能過(guò)高，此時(shí)可以適當降低驅動(dòng)能力，讓開(kāi)關(guān)速度變慢，減小電壓過(guò)沖。在不滿(mǎn)電狀態(tài)下，比如在 20% - 80% 之間時(shí)，電池效率非常關(guān)鍵，此時(shí)可以適當允許較大的電壓過(guò)沖，所以可以提升驅動(dòng)能力。

四大挑戰逐一擊破

在進(jìn)行電動(dòng)汽車(chē)高壓電源以及電驅動(dòng)設計時(shí)，TI表示其客戶(hù)也有四大目標。第一，客戶(hù)希望設計出更高效的牽引逆變器；第二，需要提高功率密度，在輸出相同功率的情況下減小體積，或是在相同體積的情況下輸出更大功率；第三，需要設計出高可靠性的系統，因為牽引逆變器和動(dòng)力相關(guān)，安全可靠非常重要；第四，雖然系統要求不斷提高，但從設計的角度還是需要降低系統復雜度，使用更少的元器件設計出相同功能的系統。

UCC5880-Q1 可以解決以上四個(gè)挑戰。使用 UCC5880-Q1 的可調驅動(dòng)技術(shù)，設計人員可以根據工況提高牽引逆變器的整體效率；產(chǎn)品的高集成度還可以幫助客戶(hù)降低設計復雜度，并提高系統功率密度。

市面上，牽引逆變器產(chǎn)品的效率已經(jīng)達到了90% 以上，繼續優(yōu)化比較困難，更高壓的設計需求和新半導體器件的使用，會(huì )帶來(lái)產(chǎn)品結構更迭和散熱限制等挑戰。使用UCC5880-Q1優(yōu)化系統后，TI預估牽引逆變器的運行效率可以提升最大約 2%，從而延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)行駛里程。舉個(gè)例子，如果用戶(hù)每周充三次電，每次充電都可以提升 11 公里的行駛里程，一年下來(lái)行駛里程可以提升約 1600 公里。

從產(chǎn)品到解決方案

TI 在牽引逆變器領(lǐng)域不僅提供高效可靠的產(chǎn)品，同時(shí)還面向系統提供整體解決方案。下圖介紹了 TI 可提供的整體解決方案：在整個(gè)牽引逆變器系統中，除了隔離式柵極驅動(dòng)器，還包括 ASIL-D 的 MCU、C2000? 實(shí)時(shí)控制器、反激式控制器（可以充當系統的輔助供電），針對分布式輔電等未來(lái)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。

TI向我們透露，TI也在投資高壓電源技術(shù)。在電動(dòng)汽車(chē)中，高電壓技術(shù)不只會(huì )用在牽引逆變器中，還會(huì )用在車(chē)載充電器 OBC 和高壓轉低壓的 DC/DC 中。

該技術(shù)涵蓋四類(lèi)主要產(chǎn)品：

• 第一是氮化鎵，TI 生產(chǎn)車(chē)規級氮化鎵，并提供氮化鎵全集成式方案，其驅動(dòng)、保護和功率部分全都集成在一個(gè)封裝里，可以更大限度地實(shí)現小體積。

• 第二是隔離式柵極驅動(dòng)器，除了UCC5880-Q1外，還包括其它同樣用于牽引逆變器的柵極驅動(dòng)器，以及用于 OBC 和 DC/DC 中的高壓柵極驅動(dòng)器。

• 第三是搭配使用的輔助供電方案，TI 可以提供隔離式的輔助電源模塊，可以用更小的體積實(shí)現更好的性能。第四是 C2000 實(shí)時(shí)控制器，可以幫助客戶(hù)更簡(jiǎn)單地設計高壓電源。