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  • 用于 HEV 和 EV 牵引逆变器的隔离式辅助电源架构

    • ZHCADP6 January   2024 LM5155-Q1 , LM51551-Q1 , LM5156-Q1 , LM51561-Q1 , LM51561H-Q1 , LM5156H-Q1 , LM5157-Q1 , LM51571-Q1 , LM5158-Q1 , LM51581-Q1 , UCC28700-Q1 , UCC28730-Q1 , UCC28740-Q1 , UCC28781-Q1 , UCC28C50-Q1 , UCC28C51-Q1 , UCC28C52-Q1 , UCC28C53-Q1 , UCC28C54-Q1 , UCC28C55-Q1 , UCC28C56H-Q1 , UCC28C56L-Q1 , UCC28C57H-Q1 , UCC28C57L-Q1 , UCC28C58-Q1 , UCC28C59-Q1

       

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  • 用于 HEV 和 EV 牵引逆变器的隔离式辅助电源架构
  1.   1
  2.   摘要
  3. 1引言
    1. 1.1 低压隔离式辅助电源
    2. 1.2 高压隔离式辅助电源
  4. 2前置稳压器要求
    1. 2.1 采用低压电池时的前置稳压器
      1. 2.1.1 单前置稳压器架构
      2. 2.1.2 多前置稳压器架构
    2. 2.2 采用高压电池时的前置稳压器
  5. 3全分布式架构
  6. 4半分布式架构
  7. 5集中式架构
  8. 6隔离式辅助电源架构中的冗余
    1. 6.1 无冗余
    2. 6.2 为所有器件提供冗余
    3. 6.3 仅为低侧提供冗余
    4. 6.4 仅为高侧提供冗余
  9. 7总结
  10. 8术语
  11. 重要声明
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Technical White Paper

用于 HEV 和 EV 牵引逆变器的隔离式辅助电源架构

本资源的原文使用英文撰写。 为方便起见,TI 提供了译文;由于翻译过程中可能使用了自动化工具,TI 不保证译文的准确性。 为确认准确性,请务必访问 ti.com 参考最新的英文版本(控制文档)。

摘要

汽车行业正在从内燃机过渡到电动汽车 (EV) 和混合动力汽车 (HEV)。EV 和 HEV 系统的关键部件之一是牵引逆变器。牵引逆变器从高压 (HV) 电池获取直流电,并向电机提供受控交流电。与电源开关和栅极驱动器一样,隔离式辅助电源是牵引逆变器电路中的主要组成部分。隔离式辅助电源的主要功能之一是为栅极驱动器提供所需的电源。隔离式辅助电源有多种可能的架构。这些架构还会影响拓扑和相关器件的选择。

1 引言

隔离式辅助电源为 HEV 和 EV 中的不同栅极驱动器电路供电。可以使用不同的拓扑来设计隔离式辅助电源。常用的拓扑包括反激式、推挽式、LLC 谐振和集成变压器模块。每种拓扑都具有特定的优势,但同时也存在各种权衡和挑战。拓扑的选择在很大程度上取决于隔离式辅助电源的整体架构。

隔离式辅助电源从低压 (LV) 电池或 HEV/EV 的高压电池获取电能。根据电源不同,隔离式辅助电源可分为两类:低压隔离式辅助电源和高压隔离式辅助电源。隔离式辅助电源电路可以直接连接到电池,也可以使用前置稳压器连接到电池。是否需要前置稳压器,取决于器件能否具有宽输入电压范围。尽管 LV 电池通常用作隔离式辅助电源的电源,但 LV 和 HV 电池通常都用于在系统中提供冗余。冗余电源可以使整个系统实现更高的功能安全性。图 1-1 显示了牵引逆变器方框图。

GUID-20231228-SS0I-ZDSS-62GB-FX4Q67GB1CD2-low.svg图 1-1 牵引逆变器方框图

1.1 低压隔离式辅助电源

在 HEV 和 EV 中,低压隔离式辅助电源电路通常使用 12V 电池作为电源。尽管有些系统采用 48V LV 电池,但本文重点介绍 12V 电池系统。但是,这些架构仍然可以用于 48V LV 电池设计。在本例中,一种选择是使用转换器来降低电压,以便使用相同的器件,另一种选择是让器件支持专为 48V 电池设计的输入电压范围。

考虑到 12V LV 电池的荷电状态 (SOC),隔离式辅助电源需要支持更宽的输入电压范围(例如:8V 至 16V)。在冷启动和负载突降情况下,输入电压范围要求分别进一步降低和提高。12V LV 电池的宽输入电压范围可能存在差异,具体取决于 OEM。并非所有类型的拓扑和相关器件都可以支持这种宽输入电压范围。因此,在一些设计中,需要在 LV 电池和隔离式辅助电源之间放置一个前置稳压器,以调节隔离式辅助电源器件的输入电压。

表 1-1 德州仪器 (TI) 低压隔离式辅助电源拓扑和相关器件
参数开环 LLC推挽初级侧稳压反激式完全集成的模块
(全桥 + 变压器)
VIN 最小值和最大值9V、34V3V、36V (1)4.5V、65V(1)4.5V、26.4V(1)
POUT 最大值高达 9W高达 7.5W (1)高达 30W(1)高达 2.5W(1)
VOUT 稳压非稳压非稳压,VIN 受控稳压稳压
开关频率0.1-1.2MHz0.1-2MHz20-350kHz11-15MHz
隔离视所用变压器而定高达 5kV,基础型或增强型
支持器件UCC25800-Q1SN6501-Q1
SN6505-Q1
SN6507-Q1
LM518x-Q1
LM2518x-Q1
LM515x-Q1
LM34xxx-Q1
UCC1413x-Q1
UCC1414x-Q1
UCC1424x-Q1
UCC1434x-Q1
UCC1524x-Q1
(1) 取决于器件的型号。

1.2 高压隔离式辅助电源

高压隔离式辅助电源电路在 HEV 和 EV 中将 HV 电池用作电源。作为 HV 电池,400V 和 800V 电压电池在 HEV 和 EV 中最为常见。连接 HV 电池的隔离式辅助电源需要支持更宽的输入电压范围。宽输入电压范围支持的需求与 LV 电池类似:HV 电池的 SOC 和负载突降场景。根据电池的 SOC,需要支持更宽的输入电压范围。例如,400V 电池的常用电压范围为 240V 至 450V,800V 电池的常用电压范围为 550V 至 950V。但是,此电压范围可能会因 OEM 要求而异。

尽管 HV 电池可用作隔离式辅助电源的主要电源,但大多数情况下该电池用于提供冗余。从技术角度以及尽可能降低成本的角度来看,通常选择反激式拓扑来实现如此大和宽的输入电压范围。

表 1-2 德州仪器 (TI) 高压隔离式辅助电源拓扑和相关器件
器件UCC28C5x-Q1UCC28700-Q1UCC28730-Q1UCC28740-Q1UCC28781-Q1
开关类型硬开关式谷底开关谷底开关谷底开关零电压开关 (ZVS)
反馈
稳压(1)
初级、次级(光耦合器)初级初级次级(光耦合器)次级(光耦合器)
典型功率级别20W–100W2W–50W2W–50W2W–50W50W–150W
(1) 初级侧调节从设计中移除了光耦合器。

2 前置稳压器要求

隔离式辅助电源器件是否需要前置稳压器电路,取决于电路是否在宽输入电压范围内工作。以 12V LV 电池为例,输入电压范围在 8V 至 16V 之间(视 SOC 而定)时,用于辅助电源的器件必须在这整个电压范围内正常工作。否则,就需要一个前置稳压器。除了辅助电源器件能否具有宽输入电压范围外,线性调整率和负载调整率等其他因素也会影响对前置稳压器电路的需求。

节 2.1 介绍了包含前置稳压器使用的不同辅助电源架构。为了清晰起见,在节 3以后,方框图中不包括前置稳压器。由于在同一架构中可使用多种拓扑和多种相关器件,因此并不总是需要前置稳压器。

表 2-1 德州仪器 (TI) 前置稳压器器件
LM5155x-Q1 控制器LM5156x-Q1 控制器LM5157x-Q1 转换器LM5158x-Q1 转换器
输入电压范围3.5V–45V3.5V–60V2.9V–45V3.2V–60V

输出电流

1.5A 峰值标准 MOSFET 驱动器1.5A 峰值标准 MOSFET 驱动器最大 6.5A最大 3.2A

 

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