EMI 電源 電動車 閘極驅動器 CMTI 碳化矽 氮化鎵

使用分散式架構推動次世代電動車系統

2021-10-15
隨著安全、功率密度及電磁干擾(EMI)等規範日趨嚴格,各種不同的電源架構誕生來協助因應各種挑戰,例如重要的負載提供個別偏壓電源的分散式電源架構等。

汽車設計工程師可依據電動車的電源供應需求,針對特定電源架構設計各種方案。如集中式電源架構,該架構因成本低而成為熱門的解決方案,但較難以管理故障及調節電壓,也不容易配置。此外,該架構也可能受到更多雜訊干擾,需要在系統單一區域設置高大且沉重的元件。

以可靠度及安全性能作為優先考量因素,對電源供應缺乏備援能力的集中式架構而言,如果偏壓供應之中有一個元件失效,就可能造成大規模的系統故障。使用分散式架構可避免電源供應故障,並讓系統運作更可靠。

若汽車以65英里的時速行駛,結果牽引逆變器馬達之中的小型電子元件發生故障,為確保安全和可靠性,在動力傳動系統內採用備用供應的電源已成為常態。分散式電源架構能夠近距離向各個閘極驅動器指派專屬該區域且調節完善的偏壓電源供應,達到電動車環境所需的可靠度標準。這類架構提供備援能力,並可改善系統對單點故障的反應方式。

返馳及推挽式控制器等外部變壓器,由於在高度、重量及面積等方面都相當龐大,而阻礙分散式架構在輕型電子裝置中的使用。電動車電源系統需要更先進的元件,例如UCC14240-Q1絕緣式DC/DC偏壓供應模組,這類更小型的整合式變壓器模組,不但具有低高度的平板式磁性元件,也幫助將變壓器及元件整合在單一最佳化的模組解決方案中,大幅縮減電源系統的尺寸、高度和重量。該整合變壓器及絕緣設計,能控制及降低一次到二次側寄生電容,協助在密集和快速切換的應用中加強共模瞬態抗擾度(CMTI)。

在分散式架構中,偏壓供應器位置接近絕緣閘極驅動器,可確保簡化印刷電路板布線圖,並能更妥善調節向閘極驅動器供電的電壓,最終驅動電源開關閘極。以上因素可提升牽引逆變器的效率及可靠度,使其在100至500kW的範圍內運作。這類高功率系統需要最高效率來確保盡可能降低熱損耗,因為熱應力是元件故障主要的原因之一。

由於這類電動車電源系統的功率持續提升,現在是時候考慮使用碳化矽和氮化鎵電源開關,以實現更小、更高效的電源供應。這兩種半導體技術具有多項效益,不過和較成熟及傳統的絕緣閘雙極電晶體相比,除了需要更緊密調節的閘極驅動器電壓,亦需要元件在安全隔離層提供低電容及高CMTI,因為元件需要以更快速的邊緣速率切換高電壓。

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