Texas Instruments (TI) Inc. hat die branchenweit kleinste und genaueste isolierte DC/DC-Vorspannungsversorgung mit 1.5 W behauptet Modulen mit integriertem Transformator. Durch die Bereitstellung von mehr als 1.5 W bei Umgebungstemperaturen von 105 °C ist der UCC14240-Q1 hochleistungsfähig.Spannung Das DC/DC-Modul kann Bipolartransistoren mit isoliertem Gate mit Strom versorgen (IGBTs) sowie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) schalten bei hohen Frequenzen.
Durch die Integration des Transformators in eine ICDadurch können Größe, Gewicht und Höhe des Stromversorgungssystems reduziert werden. Der UCC14240-Q1 verwendet einen proprietären integrierten Transformator Technologie Laut TI können dadurch Energielösungen um 50 Prozent schrumpfen. Dies führt auch zu geringeren Kosten für Hochspannungsumgebungsanwendungen wie Antriebssysteme für Elektrofahrzeuge (EV) und Hybrid-EVs, Motorantriebssysteme und netzgebundene Wechselrichter.
(Quelle: Texas Instruments)
Die Produkte von TI adressieren die Herausforderungen der Kostensenkung und Verbesserung der Reichweite von Elektrofahrzeugen und tun dies auf verschiedene Weise, sagte Ryan Manack, TIs Director of Automotive Systems, Systems Engineering Marketing, während einer virtuellen Präsentation. „Wir versuchen, so viel wie möglich auf Produkt- und Systemebene zu integrieren, wo wir über Technologien verfügen, die es ermöglichen, Antriebsstrangsysteme in Zwei-in-Eins- und Drei-in-Eins-Systeme mit Onboard-Ladegeräten und Traktionswechselrichtern zu integrieren , DC-DC-Wandler usw.“, sagte er.
Dies hilft Kunden, Kosten zu senken, das Design zu vereinfachen, die Einhaltung der funktionalen Sicherheit zu optimieren, um schneller auf den Markt zu kommen, und insgesamt die Zuverlässigkeit dieser Systeme zu verbessern, sagte Manack. „Diese Integration kann auch den Fahrbereich erweitern und zur Effizienz [von Elektrofahrzeugen] beitragen.“
Eines der Ziele von TI ist es, die Anzahl der Teile in den Stromversorgungslösungen, einschließlich der Komponenten, auf Architektur- und Systemebene zu reduzieren. Dies vereinfacht die Designs, um die Integration zu erleichtern, indem die Anzahl der elektronischen Boxen reduziert wird, die in das Auto eingebaut werden müssen, sagte Manack.
„Wie erreichen wir dabei den Systemwirkungsgrad von 98 % und helfen unseren Kunden, einen Wirkungsgrad von 99 % anzustreben, Verluste zu reduzieren, Wärme zu reduzieren, effizienter zu arbeiten, mit höheren Frequenzen zu arbeiten und die Größe der Magnete zu reduzieren? erhöhen letztendlich durch diese Integration die Systemzuverlässigkeit und optimieren die thermische Leistung“, fügte er hinzu.
Bias-Power-Architektur
Herkömmliche Bias-Power-Architekturen, die in Elektrofahrzeugen verwendet werden, verwenden einen Transformator und einen einzelnen Bias-Controller, um die Vorspannungen für alle Gate-Treiber zu erzeugen. Heute wechseln Kunden zu Systemen mit verteilter Architektur, um Vorteile in Bezug auf Redundanz und Zuverlässigkeit aufgrund von Sicherheitsbedenken und der Notwendigkeit von Platz- und Gewichtseinsparungen zu nutzen
„Die Frage ist, wie man die isolierten Gate-Treiber im System vorspannt“, sagte Manack.
„Biasing bedeutet wirklich, wie wir die Leistung auf der Sekundärseite dieser isolierten Gate-Treiber bereitstellen, um den IGBT oder den SiC-Schalter oder sogar GaN-Schalter auf der Hochspannungsseite anzusteuern, um die Frequenz zu erhöhen und die Größe zu reduzieren“, sagte Manack. „In Legacy-Systemen könnten Sie möglicherweise einen Transformator verwenden, um alle diese Gate-Treiber vorzuspannen, aber in Automobilsystemen, bei denen Redundanz und geringe Größe und Gewicht entscheidend sind, sehen wir, dass immer mehr Kunden zu einer verteilten Stromversorgungsarchitektur wechseln, bei der jedes isolierte Gate Treiber hat eine dedizierte Bias-Versorgung.“
Wenn also eine Vorspannungsversorgung ausfällt, bleiben die anderen Vorspannungsversorgungen zusammen mit ihren gepaarten Gate-Treibern betriebsbereit, was die Fahrzeugsicherheit auf der Straße verbessert, sagte TI.
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Der UCC14240-Q1 soll Ingenieuren helfen, die Vorteile der verteilten Architektur zu nutzen. Das Leistungsmodul mit zwei Ausgängen bietet einen Wirkungsgrad von 60 % – doppelt so viel wie herkömmliche Vorspannungsversorgungen –, wodurch die Leistungsdichte verdoppelt und die Reichweite des Fahrzeugs erhöht wird, so TI.
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Mit einer geringen Stellfläche von 12.8 × 10.3 mm und einer Höhe von 3.55 mm ermöglicht der UCC14240-Q1 Designern, die Fläche der Stromversorgungslösung um bis zu 50 % zu reduzieren, bei mehr Leistung bei halber Größe. Dadurch erreichen Automobilhersteller höchste Leistungsdichte und 98 % Systemeffizienz. Ein weiterer Vorteil der Höhenreduzierung ist die Flexibilität, das Modul auf beiden Seiten der Leiterplatte (PCB) zu platzieren.
TI konzentriert sich stark auf die Leistungsdichte, was eine Verkleinerung der Gesamtlösung bedeutet, und eine Komponente, die „immer buchstäblich herausragte, war der Transformator, der als Vorspannungsversorgung für diese isolierten Gate-Treiber verwendet wird“, sagte Steve Lambouses, Vice Präsident und General Manager, Hochspannungsenergie bei TI.
Durch eine proprietäre Technologie hat TI den Transformator in den UCC14240-Q1 integriert, was sehr zeitgemäß ist, da sich die Branche in Richtung einer verteilten Architektur bewegt, sagte Lambouses. Der integrierte Transformator bietet eine Leistungsabgabe über einen weiten Temperaturbereich und behält eine 3,000-VRMS-Isolation bei, im Vergleich zu herkömmlichen Flyback- oder Push-Pull-Architekturen, die einen herkömmlichen Leistungstransformator mit 2,000 VRMS-Isolation verwenden, sagte er.
[Das isolierte DC/DC-Bias-Netzteil UCC12050 von TI, das 2020 eingeführt wurde, war der erste IC von TI, der die integrierte Transformatortechnologie verwendet.]
Der UCC14240-Q1 reduziert die Stückliste von 26 auf 10 Geräte mit der proprietären Transformatortechnologie und ist auch der kleinste und genaueste der Branche, was auch wegen der schnelleren SiC- und GaN-Switches wichtig ist, fügte er hinzu.
Neben der Integration vieler externer Komponenten in die Stromversorgungslösung ermöglicht der UCC14240-Q1 das Schalten höherer Frequenzen in einem kleineren Gehäuse.
Isolierte Stromübertragung in einem IC-großen Gehäuse: Legacy-Push-Pull-Architektur mit sperrigen Übertragern in 11 mm Höhe (links) und der UCC14240-Q1 mit integriertem Übertrager in einem 3.55 mm hohen Gehäuse (rechts). (Quelle: Texas Instruments)
Der Übergang von einer traditionellen Flyback- oder Push-Pull-Architektur mit einem großen Transformator hin zu einer verteilten Architektur mit dem UCC14240-Q1 ermöglicht Skalierbarkeit und andere Vorteile wie die Möglichkeit, Softswitch-Technologie zu verwenden, die EMI reduziert, sagte Lambouses.
Die 3.5-pf-Primär-zu-Sekundär-Kapazität des UCC14240-Q1 ermöglicht wirklich einen völlig anderen Steueralgorithmus außerhalb des Chips und den Übergang zu einem sanft schaltenden Steuerschema, sagte er. Der UCC14240-Q1 kann durch Hochgeschwindigkeitsschaltungen verursachte EMI mindern und eine Gleichtakt-Transientenimmunität (CMTI) von mehr als 150 V/ns erreichen.
Das DC/DC-Modul ermöglicht auch eine einfachere Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeitsstandards des Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 und CISPR 32 aufgrund von Merkmalen wie weichem Schalten, Spread-Spectrum-Modulation, Abschirmung und geringen Parasiten.
Der UCC14240-Q1 verfügt außerdem über eine integrierte Regelung mit einer Genauigkeit von ±1.0 % über den Temperaturbereich von -40°C bis 150°C. Die enge Toleranz des Bausteins ermöglicht die Verwendung kleinerer Leistungsschalter und verbessert gleichzeitig den Überstromschutz, so TI.
Das Gerät macht einen externen Optokoppler überflüssig, der traditionell in Flybacks und Push-Pull-Systemen verwendet wird, um eine sehr hohe Genauigkeit zu erreichen, sagte Lambouses. Dies beseitigt auch die Zuverlässigkeits- und Temperaturbeschränkungen des Optokopplers im Design, sagte er.
Die geregelte Genauigkeit von 1 % ist für IGBTs großartig, sagte Manack. „Aber es ist entscheidend für Geräte mit großer Bandlücke – SiC oder GaN – die eine höhere Gate-Empfindlichkeit und mehr RDS(on)-Variation als Funktion der Gate-Spannung aufweisen.“
Der UCC14240-Q1 umfasst weitere Funktionen wie On-Chip-Schutz, einschließlich Fehlerüberwachung sowie Überstrom-, Überstrom- und Übertemperaturschutz. Es bietet eine von Drittanbietern zertifizierte 3-kVrms-Isolation und soll aufgrund seines extrem geringen Gewichts und einer Höhe von 3.55 mm die beste Vibrationsfestigkeit der Branche bieten.
Der UCC14240-Q1 in einem 36-Pin, 12.8 × 10.3 × 3.55-mm-Shrink-Small-Outline-Gehäuse ist in Vorproduktionsmengen von TI erhältlich. Die Preise beginnen bei 4.20 USD in Mengen von 1,000. Ein Evaluierungsboard, das UCC14240Q1EVM-052, ist auf TI.com für 59 US-Dollar erhältlich.
TI demonstriert den UCC14240-Q1 auf der TI Live! Virtuelle Tech Exchange-Veranstaltung, 27.-29. September 2021.
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