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集成1700V SiC MOSFET车规高压开关电源应用

2022-5-5 15:40| 发布者: 闪电| 查看: 19| 评论: 0

摘要: 多年来,Power Integrations(PI)不断将许多用于消费类电子AC-DC的产品推向市场,数量和占有率相当可观。现在,凭借长期致力于高效功率应用的能力,PI又将其AC-DC扩展到汽车类应用,特别是轻型电动汽车高压功率架构 ...


跟以前StackFET架构相比,其最大的不同是在原来比较精简的电路基础上进一步减少了外围元件。



AC-DC应用设计要考虑什么?


回到AC-DC应用,目前车用市场上有两种母线电压:400V和800V。400V低端车用的比较多,是标称电压,最低电压可能到320V。现在,所有电动汽车制造厂商都在尽量提高电压,目的是减小电流,降低损耗,400V范围在380V到450V之间,而800V最高电压会达到950V。


这是怎么计算的?阎金光解释说,以800V电压为例,在电动汽车踩刹车时,母线两端就会出现反向电动势;电动汽车充电时充电电压也肯定比电池两端电压高,一般要留15%裕量,所以800V母线电压×15%等于920V。在做反激电源设计时,还要考虑输出反射电压及漏感的影响,因为MOS管除了承受输入电压外,还要承受变压器绕组上的反射电压。反射电压一般是按照正常匝数比设计的,可能在120V左右。所以,MOS管关断时,920V最大值再加上120V,其两端电压可达1040V。


设计还要留一定裕量,比如80%的降额,把降额算进去,1040V的耐压要达到1300V。对应标称900V母线电压,在MOS管两端真正呈现的电压会达到1300V。所以市场上以前的方案往往是选用耐压为1500V的汽车认证MOS管来做高输入母线电压应用。


PI现在采用1700V碳化硅MOS管,裕量没有问题,即使将来母线电压升高到1200V、1500V,也可以用现在的1700V碳化硅MOS管。在InnoSwitch3-AQ中,初级和次级侧分别有两个控制器。控制器是以次级侧控制器作为主控制器,即初级MOS管的开通来自于次级侧控制器的指令。初级侧控制器收到次级侧控制指令后MOS管开通。开通后的关断由初级侧控制来执行,当开关管达到一定峰值电流后,初级侧MOSFET关断。


为了提升效率,在次级侧有同步整流驱动,它来自于次级侧控制器。如果用分立元件做,在次级侧往往有另一个独立的同步整流控制器。这种独立的控制器可能会在一些故障情况下出现不应有的驱动脉冲,使开关管误开通。PI用同一个控制器来控制初级侧功率管,也控制次级侧同步整流管,就可以将这两个管做到非此即彼,不会出现共同导通现象。这是与分立元件相比的优势所在,而共同导通是反激电源中不能接受的。

 
几乎成为标配的FluxLink™


同步整流可以提高效率,由于是次级侧电压检测,所以输出非常精确。当然,初级和次级之间不需要加光耦器,而是用PI之前许多产品中都有的FluxLink™磁感耦合方式进行通信。


阎金光这样解释,在汽车应用中,很多汽车制造厂商不喜欢用光耦器,这是因为光耦器会随着温度和使用寿命延长发生传输特性的变化。其安全可靠性难以满足汽车这类有很高安全性要求的应用。所以,很多方案都是用PSR来做,即初级侧恒压。实际上PSR的输出稳压精度没有那么高,因为它是通过初级侧偏置绕组进行检测,采用SSR时输出电压、电流都是次级侧直接检测,相对初级稳压电路工作方式,可以达到更高的精度。精度的增加极大地节省了整个系统的成本。


传统方式下,如果稳压精度不高,就会加第二级稳压电路,不但会增加元件数目,还会影响整体电源效率。在提高母线电压的应用中,采用FluxLink™可以充分保证绝缘强度,满足AEC-Q100汽车级认证,并在初级侧集成1700V碳化硅MOS管。

在分立元件方案中,有时会加一些启动电阻来控制启动,汽车应急电源一般要求60V以下能够工作,而新器件的性能优势是支持30V启动。得益于InnoSwitch3漏极自供电启动,满载输出功率可以保证在30W到70W。


应急电源输出是为后面的牵引逆变器驱动及其它控制电路供电,包括有源短路电路和一些主动放电电路。因为800V只给牵引逆变器母线(电机)供电,但电机下面的驱动电压,包括汽车中控制电路的一些电压都比较低,要靠12V母线供电;而在12V电池组坏掉时,要由应急电源供电。采用1700V耐压碳化硅后,可以将电源元件数目缩减50%,把PCB板面积做得很小,电路所占空间的减小有利于使用更小的金属外壳,减轻整车的重量,增大续航力。


汽车不像消费类电子,与人的生命息息相关,出现故障或反应迟钝都会造成生命财产危险。汽车可靠性与元器件数目有很大关系,元件数目多,可靠性就会下降,而用更少的元件设计应急电源可以充分提高汽车的安全性和可靠性。


调整率方面,输出电压可以做到正负2%精度,因为次级侧电压检测精度更高,可以节省一些后级DC-DC电路,降低成本和元件数目。FluxLink™的环路响应速度非常快,好处是输出端可以用更小的输出电容。虽然输出电容越大动态响应越好,但增加电容就会使PCB面积增大,成本也会增加。而且,大于90%的效率可以减少发热,效率高就可以不用散热片。加散热片涉及固定、震动,都会对可靠性产生影响,体积也不能做得很小。


所有汽车厂商都有最低效率要求,汽车不是总在最大负载下工作,速度比较慢时负载就比较轻,所以轻载效率对整个汽车的续航力也有影响。根据控制方式,在不同负载情况下,新器件都可以保持电源效率恒定。


另外,汽车长期不开母线电池也会供电,如果电源功耗比较高,电池自放电就很严重,会影响电池续航能力,所以电源空载功耗对电池自放电有影响。新器件的空载功耗可以做到小于15mW。



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