Texas Instruments (TI) Inc. heeft de kleinste en meest nauwkeurige geïsoleerde DC/DC-bias-voeding van 1.5 W in de sector geclaimd module met geïntegreerde transformator. Door meer dan 1.5 W te leveren bij een omgevingstemperatuur van 105°C, is de UCC14240-Q1 hoog-spanning DC/DC-module kan bipolaire transistors met geïsoleerde poort voeden (IGBTs) en siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN) schakelaars bij hoge frequenties.
Door de transformator te integreren in een IC, maakt het de vermindering van de omvang, het gewicht en de hoogte van het energiesysteem mogelijk. De UCC14240-Q1 maakt gebruik van een eigen geïntegreerde transformator technologie Dat kan volgens TI de stroomoplossingen met 50 procent doen krimpen. Dit vertaalt zich ook in lagere kosten voor toepassingen in hoogspanningsomgevingen, zoals aandrijfsystemen voor elektrische voertuigen (EV) en hybride EV's, motoraandrijfsystemen en netgekoppelde omvormers.
(Bron: Texas Instruments)
De producten van TI gaan in op de uitdagingen van het verlagen van de kosten en het verbeteren van het bereik van elektrische voertuigen en doen dit op een aantal verschillende manieren, zei Ryan Manack, directeur van Automotive Systems, Systems Engineering Marketing van TI, tijdens een virtuele presentatie. “We proberen zoveel mogelijk te integreren op product- en systeemniveau, waar we technologieën hebben waarmee aandrijflijnsystemen kunnen worden geïntegreerd in twee-in-één- en drie-in-één-systemen met ingebouwde laders en tractie-omvormers. , DC naar DC-converters, enz.,” zei hij.
Dit helpt klanten de kosten te verlagen, het ontwerp te vereenvoudigen, de functionele veiligheidsnaleving te stroomlijnen om sneller op de markt te komen en de algehele betrouwbaarheid van deze systemen te verbeteren, aldus Manack. “Deze integratie kan ook het rijbereik vergroten en de efficiëntie [van EV’s] vergroten.”
Eén van de doelstellingen van TI is het verminderen van het aantal onderdelen in de stroomoplossingen, inclusief componenten en op architectuur- en systeemniveau. Dit vereenvoudigt de ontwerpen om de integratie eenvoudiger te maken door het aantal elektronische dozen dat in de auto moet passen te verminderen, aldus Manack.
“Terwijl we dat doen, hoe kunnen we de systeemefficiëntie van 98% bereiken en klanten helpen naar een efficiëntie van 99% te streven, verliezen te verminderen, hitte te verminderen, efficiënter te werken, op hogere frequenties te werken en de omvang van de magnetische delen te verkleinen? Uiteindelijk vergroot deze integratie de systeembetrouwbaarheid en optimaliseert de thermische prestaties”, voegde hij eraan toe.
Bias power-architectuur
Traditionele bias-vermogensarchitecturen die in EV's worden gebruikt, gebruiken één transformator en een enkele bias-controller om de bias-spanningen voor alle gate-drivers te genereren. Tegenwoordig stappen klanten over op gedistribueerde architectuursystemen om de voordelen op het gebied van redundantie en betrouwbaarheid te benutten vanwege veiligheidsoverwegingen en de behoefte aan ruimte- en gewichtsbesparingen
“De vraag is: hoe kun je de geïsoleerde poortdrivers in het systeem beïnvloeden”, zegt Manack.
“Biasing betekent eigenlijk hoe we de secundaire kant van deze geïsoleerde poortdrivers van stroom kunnen voorzien om de IGBT- of de SiC-schakelaar aan te sturen, of zelfs GaN-schakelaars aan de hoogspanningskant om de frequentie te verhogen en de omvang te verkleinen”, aldus Manack. “In oudere systemen zou je mogelijk één transformator kunnen gebruiken om al deze poortdrivers te beïnvloeden, maar in autosystemen waar redundantie cruciaal is en waar kleine afmetingen en gewicht cruciaal zijn, zien we dat steeds meer klanten overstappen op een gedistribueerde stroomarchitectuur waarbij elke geïsoleerde poort driver heeft een speciaal bias-aanbod.
Dus als één bias-voorziening uitvalt, blijven de andere bias-leveringen operationeel, samen met hun gekoppelde poortdrivers, wat de voertuigveiligheid op de weg verbetert, aldus TI.
Klik voor een grotere afbeelding. (Bron: Texas Instruments)
De UCC14240-Q1 is ontworpen om ingenieurs te helpen profiteren van de gedistribueerde architectuur. De voedingsmodule met dubbele uitgang biedt een efficiëntie van 60% – twee keer zoveel als die van traditionele bias-voedingen – waardoor de vermogensdichtheid wordt verdubbeld en het rijbereik van het voertuig wordt vergroot, aldus TI.
Klik voor een grotere afbeelding. (Bron: Texas Instruments)
Met een kleine voetafdruk van 12.8 x 10.3 mm en een hoogte van 3.55 mm stelt de UCC14240-Q1 ontwerpers in staat het oppervlak van de stroomoplossing met maar liefst 50% te verkleinen, met meer vermogen in de helft van de grootte. Hierdoor kunnen autofabrikanten de hoogste vermogensdichtheid en een systeemefficiëntie van 98% bereiken. Een ander voordeel van de hoogtereductie is de flexibiliteit om de module aan weerszijden van de printplaat (PCB) te plaatsen.
TI is sterk gefocust op vermogensdichtheid, wat betekent dat de omvang van de totale oplossing kleiner wordt, en een onderdeel dat “altijd letterlijk uitstak, was de transformator, die wordt gebruikt als bias-voeding voor die geïsoleerde gate-drivers”, zegt Steve Lambouses, vice-president president en algemeen directeur hoogspanningsenergie bij TI.
Via een eigen technologie heeft TI de transformator geïntegreerd in de UCC14240-Q1, wat zeer actueel is nu de industrie op weg is naar een gedistribueerde architectuur, aldus Lambouses. De geïntegreerde transformator levert stroom over een breed temperatuurbereik en handhaaft een isolatie van 3,000 VRMS, vergeleken met oudere flyback- of push-pull-architecturen die een traditionele stroomtransformator gebruiken met een isolatie van 2,000 VRMS, zei hij.
[TI's UCC12050 geïsoleerde DC/DC bias-voeding, geïntroduceerd in 2020, was TI's eerste IC die de geïntegreerde transformatortechnologie gebruikte.]
De UCC14240-Q1 reduceert de stuklijst van 26 naar 10 apparaten met behulp van de gepatenteerde transformatortechnologie en is ook de kleinste en meest nauwkeurige in de sector, wat ook belangrijk is vanwege de snellere SiC- en GaN-schakelaars, voegde hij eraan toe.
Naast het integreren van veel externe componenten in de stroomoplossing, maakt de UCC14240-Q1 het schakelen op hogere frequenties mogelijk in een kleiner pakket.
Geïsoleerde stroomoverdracht in een IC-formaat pakket: Legacy push-pull-architectuur met omvangrijke transformatoren in een hoogte van 11 mm (links) en de UCC14240-Q1 met een geïntegreerde transformator in een pakket met een hoogte van 3.55 mm (rechts). (Bron: Texas Instruments)
Door af te stappen van een traditionele flyback- of push-pull-architectuur met één grote transformator naar een gedistribueerde architectuur met de UCC14240-Q1 zijn schaalbaarheid en andere voordelen mogelijk, zoals de mogelijkheid om soft-switch-technologie te gebruiken die EMI zal verminderen, aldus Lambouses.
De primaire-naar-secundaire capaciteit van 3.5 pf van de UCC14240-Q1 maakt een compleet ander besturingsalgoritme buiten de chip mogelijk en de overstap naar een zacht schakelend besturingsschema, zei hij. De UCC14240-Q1 kan EMI verminderen die wordt veroorzaakt door snel schakelen en een common-mode transient immuniteit (CMTI) prestatie van meer dan 150 V/ns bereiken.
De DC/DC-module maakt het ook gemakkelijker om te voldoen aan de elektromagnetische compatibiliteitsnormen van het Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques (CISPR) 25 en CISPR 32, dankzij functies zoals zachte schakeling, gespreide spectrummodulatie, afscherming en lage parasitaire factoren.
De UCC14240-Q1 heeft ook een geïntegreerde gesloten-lusregeling met ±1.0% nauwkeurigheid over het temperatuurbereik van -40°C tot 150°C. De nauwe tolerantie van het apparaat maakt het gebruik van kleinere stroomschakelaars mogelijk en verbetert tegelijkertijd de overstroombeveiliging, aldus TI.
Het apparaat elimineert de noodzaak van een externe optocoupler, die traditioneel wordt gebruikt in flybacks en push-pull-systemen, om een zeer hoge nauwkeurigheid te bereiken, aldus Lambouses. Dit neemt ook de betrouwbaarheids- en temperatuurbeperkingen van de optocoupler in het ontwerp weg, zei hij.
De gereguleerde nauwkeurigheid van 1% is geweldig voor IGBT’s, zei Manack. “Maar het is van cruciaal belang voor apparaten met een brede bandafstand – SiC of GaN – die meer poortgevoeligheid en meer RDS(aan)-variatie hebben als functie van de poortspanning.”
De UCC14240-Q1 beschikt over andere functies, zoals bescherming op de chip, inclusief foutbewaking en bescherming tegen overstroom, overbelasting en oververhitting. Het biedt door derden gecertificeerde 3-kVrms-isolatie en zou de beste trillingsimmuniteit in de branche bieden dankzij het ultralage gewicht en de hoogte van 3.55 mm.
De UCC14240-Q1, in een 36-pins, 12.8 x 10.3 x 3.55 mm krimppakket met kleine omtrek, is verkrijgbaar in pre-productiehoeveelheden bij TI. Prijzen beginnen bij $ 4.20 in hoeveelheden van 1,000. Een evaluatiebord, de UCC14240Q1EVM-052, is beschikbaar op TI.com voor $ 59.
TI demonstreert de UCC14240-Q1 op de TI Live! Virtueel Tech Exchange-evenement, 27-29 september 2021.
over Texas Instruments