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基于单面水冷的电动汽车控制器方案

应用领域：用于电动汽车、工业机器人、轨道交通、电动工具方案描述：基于NXP PowerPC架构SPC5744P和ON功率模块的电动汽车控制器，融合了ON隔离预驱芯片NCV57001F及IGBT功率模块NVH820S75L4SPB，以及NXP电源管理芯片MC35FS6513，可实现汽车功能安全标准ISO26262的ASIC C/D级别功能安全要求。功能特点：可实现汽车功能安全标准ISO26262 ASIC C/D级别功能安全要求。六路隔离预驱，峰值电压1200V，驱动电流最大+4/-6A。基于变压器绝缘技术，优秀的绝缘性能。SPC5744P与MC35FS6513均可使IGBT功率器件进入失效安全模式。DESAT保护与软关断功能。短路、过流、过温、过压、欠压保护。米勒钳位功能（AMC）。采用车规级元器件，核心器件通过AEC-Q100认证。关键器件及供应商如下：元器件供应商备注SPC5744PNXP主控MCUMC35FS6513NXP电源管理芯片TJA1042NXPCAN收发器NCV57001FON隔离预驱NVH820S75L4SPBONIGBT功率模块AD2S1210ADI旋变解码芯片HAH1DRW 400-SLEM电流传感器线框图：实物图片：

电动汽车

2023.08.07

基于双面水冷的电动汽车控制器方案

应用领域：用于电动汽车、工业机器人、轨道交通、电动工具方案描述：基于NXP PowerPC架构SPC5744P的电动汽车控制器，融合了NXP隔离预驱芯片GD3100与电源管理芯片FS6513，可实现汽车功能安全标准ISO26262的ASIC C/D级别功能安全要求。功能特点：可实现汽车功能安全标准ISO26262 ASIC C/D级别功能安全要求。六路IGBT驱动，2W驱动功率，10A峰值电流，可直接驱动汽车级IGBT。基于变压器绝缘技术，优秀的绝缘性能。三个上桥与三个下桥分别基于菊花链连接的DSPI接口。SPC5744P、FS6500与GD3100均可使IGBT进入失效安全模式。门极开关状态监测功能。基于母线电压供电的驱动器辅助电源。可配置的多级关断与软关断功能。短路、过流、过温、过压、欠压保护。米勒钳位功能。采用车规级元器件，核心器件通过AEC-Q100 Grade 1认证。关键器件及供应商如下：主要元器件型号供应商功能描述SPC5477PNXP带功能安全的主控MCUMC35FS6513NXP带功能安全的电源管理芯片MC33GD3100NXP带功能安全的隔离预驱TJA042NXPCAN收发器FF400R07A01E3_S6InfineonIGBT模块AD2S1210ADI旋变解码芯片HAH1DRW 400-SLEM电流传感器线框图：

电动汽车

2023.06.01

基于双面水冷的电动汽车控制器方案

应用领域：用于电动汽车、工业机器人、轨道交通、电动工具方案描述：基于NXP PowerPC架构SPC5744P的电动汽车控制器，融合了NXP隔离预驱芯片GD3100与电源管理芯片FS6513，可实现汽车功能安全标准ISO26262的ASIC C/D级别功能安全要求。功能特点：可实现汽车功能安全标准ISO26262 ASIC C/D级别功能安全要求。六路IGBT驱动，2W驱动功率，10A峰值电流，可直接驱动汽车级IGBT。基于变压器绝缘技术，优秀的绝缘性能。三个上桥与三个下桥分别基于菊花链连接的DSPI接口。SPC5744P、FS6500与GD3100均可使IGBT进入失效安全模式。门极开关状态监测功能。基于母线电压供电的驱动器辅助电源。可配置的多级关断与软关断功能。短路、过流、过温、过压、欠压保护。米勒钳位功能。采用车规级元器件，核心器件通过AEC-Q100 Grade 1认证。关键器件及供应商如下：主要元器件型号供应商功能描述SPC5477PNXP带功能安全的主控MCUMC35FS6513NXP带功能安全的电源管理芯片MC33GD3100NXP带功能安全的隔离预驱TJA042NXPCAN收发器FF400R07A01E3_S6InfineonIGBT模块AD2S1210ADI旋变解码芯片HAH1DRW 400-SLEM电流传感器线框图：

电动汽车

2023.06.01

TI实时可调碳化硅驱动器助力电动汽车续航更上层楼

“在前不久的PCIM 2023上，德州仪器（TI）与Wolfspeed合作，展出了一款800-V, 300kW的基于碳化硅（SiC）的牵引逆变demo。该逆变器的尺寸为 279mm x 291mm x 115mm，总体积为 9.3L，功率密度高达 32.25kW/L，是同类基于硅的逆变器的 2 倍多。具体可参考大功率、高性能汽车SiC牵引逆变器参考设计。”在前不久的PCIM 2023上，德州仪器（TI）与Wolfspeed合作，展出了一款800-V, 300kW的基于碳化硅（SiC）的牵引逆变demo。该逆变器的尺寸为 279mm x 291mm x 115mm，总体积为 9.3L，功率密度高达 32.25kW/L，是同类基于硅的逆变器的 2 倍多。具体可参考大功率、高性能汽车SiC牵引逆变器参考设计。该参考集成了TI和Wolfspeed多项先进技术，其中TI的产品包括具有实时可变栅极驱动强度的高性能隔离式栅极驱动器、具有集成变压器的隔离式辅助电源以及TI的高实时性能MCU，即使在超过20,000 RPM 的速度下也能控制牵引电机，同时满足功能安全要求。该Demo充分展示了TI在牵引逆变市场的完整解决方案。“在整个设计过程中，TI不仅提供硬件设计，还提供软件控制。此外，我们做了非常多的测试，用功率模块去驱动感性负载和电机，根据不同的功耗要求来调节驱动，获取测试数据并优化系统，这些数据还可以为客户未来的决策提供参考。”TI混动汽车/电动汽车部门总经理吴万邦说道。吴万邦表示，TI正在广泛投资应用于汽车电动化的高压技术，不只是牵引逆变，还包括车载充电器OBC和高低压DC/DC转换等场景中，主要产品则涵盖了包括氮化镓、栅极驱动器、辅助电源以及实时控制器。吴万邦结合TI最新推出的“具有高级保护功能的汽车类 20A 隔离式实时可变 IGBT/SiC MOSFET 栅极驱动器”UCC5880-Q1，介绍了栅极驱动器在整个系统小型化、高效化方面的作用。驱动器的作用TI隔离式栅极驱动器产品业务开发总监Matt Romig将驱动器形象的比作“电子火花塞”。驱动IC通过接受逻辑电平电压并产生更高的功率输出，主要作用就是功率放大器和电平转换器。对于以微控制器为主的数字逻辑控制系统，其I/O引脚输出的PWM信号没有足够的电流输出，无法驱动功率器件的开关。因此驱动IC就成为了逻辑/控制电路和高功率器件之间的一个桥梁。也正因此，如果将牵引逆变器比作传统燃油车的发动机，碳化硅功率器件就是发动机缸，而驱动则相应的担负起火花塞的责任。像火花塞从镍合金到依铂金的技术演进一样，驱动技术也在一直更迭，重要原因是功率器件发生着变化。随着以SiC和GaN在内的宽禁带半导体的流行，其相对于Si MOSFET的速度更快，耐压更高，但是也更脆弱，因此要求更加严苛。以下是例举一些SiC驱动的特殊要求• 驱动供电电压包含开通的正压和关断的负压• 共模瞬态抗扰度（CMTI）大于100 kV/µs• 最大工作绝缘电压可达1700 V• 驱动能力可达10 A• 传输延迟时间和频道不匹配时间小于 10 ns• 主动米勒钳位• 快速短路保护（SCP）（小于1.8 µs）可见随着功率器件的复杂度不断提高，栅极驱动器需要更加灵活地驱动各种功率器件，从而满足不同的系统应用和功率级别。作为驱动领域的主要供应商之一，在栅极驱动器和电机驱动器等领域积累了丰富的经验，产品一直以来都以灵活匹配各厂家的功率器件而著称。UCC5880-Q1如何解决四大难题吴万邦表示，TI的半导体创新在电动汽车领域有四大目标，第一，帮助用户更大限度地延长汽车行驶里程；第二，帮助客户改进电动汽车的充电性能和效率；第三，通过半导体技术的创新和更迭，让电动汽车变得更加经济实惠；第四，帮助客户设计安全可靠的电动汽车。具体到牵引逆变和高压电源等场景中，市场也有四大目标，分别为：第一，客户希望设计出更高效的牵引逆变器；第二，需要提高功率密度；第三，需要高可靠性的系统；第四，需要降低系统设计复杂度，使用更少的元器件。TI新推出的UCC5880-Q1可一口气解决驱动市场的四大难题：首先，其集成了久经考验的电容隔离技术，符合 UL1577 标准且长达 1 分钟的 5kVRMS 隔离（计划）,符合 DIN VDE 0884-11 的增强型隔离 7070VPK：2017-01（计划）。并且CMTI高达100kV/µs，可满足碳化硅等高速开关频率的要求，并且可以优化EMC/EMI。其次，则是集成了众多功率晶体管保护功能，例如基于分流电阻的过流保护、过热保护（PTC、NTC 或二极管）以及 DESAT 检测，包括在这些故障期间可选择的软关断或两级软关断。第三，集成了包括有源米勒钳位，以及10 位 ADC，ADC可用于监控多达 2 个模拟输入，包括电源开关温度, 驱动器内核温度, DESAT 引脚电压, VCC2 电压, 相电流, 直流链路电压等。最后，也是UCC5880-Q1新支持的，就是实时可变栅极驱动强度，这一功能实现了真正意义上的智能驱动，进一步改善了牵引逆变器的效率。众所周知，牵引逆变系统是电动车主要的功率消耗，因此其效率最能影响整体的续航里程。为了提升效率，目前业界已经采用了包括提高母线电压，碳化硅宽禁带半导体等技术，将效率提升至90%以上。但吴万邦表示，继续优化会变得很难，采用实时可变的栅极驱动器，可以将逆变器系统效率提升最大约 2%，“对于牵引逆变而言已经是非常高的提升。”吴万邦说道。为什么实时可变驱动可以提升效率高栅极驱动器输出电流可以对 SiC FET 栅极进行快速充放电，从而实现较低的功率损耗。然而，开关行为会在温度、电流和电压范围内发生变化，因此也不能无限制快。SiC FET上电压的快速转换（称为漏源电压 (VDS) 的瞬态电压 (dv/dt)）会以传导接地电流形式产生电压过冲和电磁干扰，电机本身也会受到高 dv/dt的影响。通过使用栅极电阻来控制栅极驱动器的输出拉电流和灌电流，有助于优化 dv/dt 和功率损耗之间的权衡，这就是实时可变驱动的重要意义。“我们提供的可调驱动功能可以让用户实现开关速度和电压过冲的平衡。”吴万邦说道。“具体而言，在满电至80%电力状态下，系统更关心电压过冲不能过高，此时可以适当降低驱动能力，让开关速度变慢，减小电压过冲。而电量在20% - 80%之间时，要更加关注电池效率，此时可以适当允许较大的电压过冲。”不同驱动强度下，开关损耗和电压过冲的示意图在“如何通过实时可变栅极驱动强度更大限度地提高 SiC 牵引逆变器的效率”一文中，给出了UCC5880-Q1在不同驱动强度下的双脉冲测试 (DPT)的实际数值，证明客户可以根据系统寄生效应和噪声控制目标，在过冲、dv/dt 和开关损耗之间进行权衡。同时，文章中还介绍了TI使用全球统一轻型汽车测试程序 (WLPT) 和实际驾驶计程速度和加速度进行建模表明，SiC 功率级效率提升可高达 2%，相当于每块电池增加 11 公里的行驶里程，如果以用户每周三次充电计算，一年下来行驶里程可以提升约 1600 公里，极大增加了电动汽车的续航里程。吴万邦认为，可编程的灵活驱动技术可以助力动力系统的OTA功能。“比如把行驶中和高压相关的数据做采集与上传，例如电压、电流、功率、驱动电流档位等。在这个基础上，车企可以得到成千上万的用户数据，并根据用户的驾驶习惯做参数优化和软件升级。”其他创新除了驱动之外，吴万邦还介绍了TI新推出的隔离偏置电源UCC14141-Q1，其具有出色的转换效率，并且隔离技术可以无需反激电源常用的外部变压器或其他电源模块。通过可调隔离式栅极驱动器与隔离式偏置电源设计相结合，可显著减小PCB 尺寸，使 PCB 面积缩小为原来的二分之一以下，高度小于 4mm，并消除了 30 多个分立元件，从而提高了系统的功率密度。

TI碳化硅驱动器力电动汽车

2023.05.30

德州仪器发布UCC5880－Q1 碳化硅栅极驱动器，助力高压系统设计创新

“德州仪器（TI）近日发布了一款最新的碳化硅栅极驱动器产品——UCC5880-Q1。该产品旨在帮助客户克服在高压系统设计中遇到的技术难题，特别为电动汽车和混合动力汽车的高压半导体应用提供创新解决方案。发布会上，德州仪器混动汽车/电动汽车部门总经理吴万邦和德州仪器中国汽车半导体事业部技术支持经理郭津一起介绍了该新品的特点和应用领域，以及对电动汽车的贡献，同时也提及了德州仪器在高压技术领域的整体策略和目标。”德州仪器（TI）近日发布了一款最新的碳化硅栅极驱动器产品——UCC5880-Q1。该产品旨在帮助客户克服在高压系统设计中遇到的技术难题，特别为电动汽车和混合动力汽车的高压半导体应用提供创新解决方案。发布会上，德州仪器混动汽车/电动汽车部门总经理吴万邦和德州仪器中国汽车半导体事业部技术支持经理郭津一起介绍了该新品的特点和应用领域，以及对电动汽车的贡献，同时也提及了德州仪器在高压技术领域的整体策略和目标。TI表示，在汽车应用中，公司在半导体创新领域有着明确的目标，包括帮助用户延长汽车行驶里程、改善电动汽车充电性能和效率、提高电动汽车的经济实惠性以及设计安全可靠的电动汽车系统。为实现这些目标，德州仪器不仅专注于栅极驱动器技术，还涉足车载充电器方案和整套的电池管理系统解决方案等领域。UCC5880-Q1是什么？UCC5880-Q1栅极驱动器被定位为应用于电驱动系统中的牵引逆变器驱动技术。这款驱动器产品具备可调驱动技术，能够根据工况提高牵引逆变器的整体效率，同时具备高集成度，帮助降低设计复杂度并提高系统功率密度。该产品符合功能安全ASIL-D 设计标准，并通过实时调节栅极驱动强度来平衡开关速度和电压过冲，从而提高系统可靠性。UCC5880-Q1的推出将大大满足工程师对电动汽车高压电源以及电驱动设计目标的现实，例如：一、更高效的牵引逆变器；二、更高的功率密度，在输出相同功率的情况下减小体积，或在相同体积的情况下输出更大的功率；三、高可靠性的系统；四、降低系统复杂度，使用更少的元器件设计出相同功能的系统。UCC5880-Q1使得牵引逆变器运行效率提升2%牵引逆变器需要大功率设计，并且需要实现安全、可靠和更高的效率。从工程师方面了解到，其实市面上，牵引逆变器产品的效率已经达到了 90% 以上，继续优化比较困难，更高压的设计需求和新半导体器件的使用，会带来产品结构更迭和散热限制等挑战。使用TI的UCC5880-Q1器件优化系统后，预估牵引逆变器的运行效率可以提升最大约 2%。牵引逆变器高压模块从 IGBT 换成 SiC 后还会带来新的挑战，因此可以确认的是即使是 2% ，对系统设计来说都是非常高的提升。TI整体策略--为系统提供完整的解决方案德州仪器的整体策略是为系统提供完整的解决方案，而不仅仅提供芯片级别的产品。除了UCC5880-Q1栅极驱动器，德州仪器还提供了一系列与牵引逆变器系统相关的解决方案，包括符合ASIL-D标准的MCU、C2000™ 实时控制器、反激式控制器（可以充当系统的辅助供电），针对分布式辅电等未来趋势，TI还提供全集成式的辅助供电模块、隔离电压/电流检测采样、隔离电源检测等。此外，德州仪器还注重与合作伙伴的紧密合作，以实现全面的系统优化。在发布会上，发言人介绍了TI与 Wolfspeed 共同开发的 300kW牵引逆变器参考设计，其将 UCC5880-Q1 和 Wolfspeed 的 SiC 模块搭配使用，并完成整体测试和认证。这款参考设计不只包含原理图和 PCB 布线，还提供实物可供客户评估。功能包括栅极驱动、辅助供电、隔离供电、MCU，均采用 TI 的芯片方案来完成设计。UCC5880-Q1的实时调节功能优势在发布会上TI发言人提到“TI SiC栅极驱动器让牵引逆变器更安全、高效，将车辆的年行驶里程延长多达1600公里”。这是因为UCC5880-Q1 驱动器通过更低的系统成本，以及对驱动能力的实时调节，可以将逆变器系统效率提升最大约 2%，从而延长电动汽车行驶里程。下面一个例子进一步解释这个数字，如果用户每周充三次电，每次充电都可以提升 11 公里的行驶里程，一年下来行驶里程可以提升约 1600 公里。在 UCC5880-Q1 中，TI设计了可实时调节栅极驱动强度的功能，可以让用户在系统运行时，在 5A 到 20A 的范围内调整驱动电流。在此基础上，这款器件还符合 ISO 26262 功能安全设计标准，可以支持设计人员更快速、更安全、更高效地设计牵引逆变器系统。可调驱动功能可以让用户实现开关速度和电压过冲的平衡。这是因为，碳化硅可以实现更高的开关速度，从系统效率的角度来说，开关速度越快，开关损耗越低，效率也就越高；从系统可靠性的角度来说，开关速度越快，可能导致更大的电压过冲，进而影响模块可靠性。而UCC5880-Q1中的可调节功能也正是这款产品的优势。同时TI也推出了新的评估板，将UCC5880-Q1 驱动器和辅助供电模块 UCC14141-Q1 搭配使用，帮助客户实现更小的体积和更简单的电路。TI 大力投资高压电源技术在电动汽车中，高电压技术不仅用在牵引逆变器中，还会用在车载充电器 OBC 和高压转低压的 DC/DC 中。该技术涵盖四类主要产品：一是氮化镓，TI 生产车规级氮化镓全集成式方案，将驱动、保护和功率部分集成在一个封装里，可以更大限度地实现小体积。二是隔离式栅极驱动器，除了 UCC5880-Q1外，还包括用于 OBC 和 DC/DC 中的高压栅极驱动器。三是搭配使用的辅助供电方案，TI 可以提供隔离式的辅助电源模块，用更小的体积实现更好的性能。四是 C2000 实时控制器，可以帮助客户更简单地设计高压电源。吴经理分享TI 在高压技术领域的三个目标。第一，通过半导体器件的创新，帮助用户更大限度地减少开关损耗；第二，通过小体积设计，包括简化外围器件，帮助用户提高功率密度；第三，通过技术创新，更大限度提高功率管的开关速度，并增强驱动强度。总结，随着电动汽车市场的不断增长和对高压系统的需求日益增加，德州仪器作为半导体行业的领军企业，将继续致力于推动高压技术的创新和应用。UCC5880-Q1栅极驱动器的发布标志着该公司在高压系统设计创新方面的重要进展。该产品的独特技术和全面解决方案的理念将为电动汽车行业带来新的发展机遇，推动电动汽车技术的进一步发展，为人们创造更加智能、环保的出行体验。德州仪器在高压技术领域的领导地位和不断创新的动力将持续引领行业发展，为未来的可持续交通做出更多贡献。

驱动器电动汽车逆变器

2023.05.30