Высоковольтные решения внедряются в гибридные автомобили и электромобили

Уже редко кого удивишь фактом, что устаревшие 12 В автоматические электрические системы более не являются жизнеспособными в новых транспортных средствах, особенно гибридных электрических транспортных средствах (HEV) и новых полностью электрических транспортных средствах (EV). В новых системах используются либо батареи 48 В для гибридных автомобилей, либо батареи 400 + В для электромобилей. Эти энергоемкие системы рассчитываются на более высокие напряжения также как и новые методы управления, которые дают им необходимую эффективность, чтобы сделать их более практичными.

Почему именно высокое напряжение?

Повышение напряжения повышает эффективность. Резкое увеличение количества электроники, созданной для автомобилей в течение многих лет, выявило недостатки стандартных 12 В электрических систем. В настоящее время усовершенствованные системы помощи водителю (ADAS) в большинстве новых автомобилей добавили в дополнение к другим устройствам несколько процессоров, мощных датчиков и исполнительных механизмов. Мощность процессора также значительно повысилась, что привело к увеличению потерь в кабелях, разъемах и точках соединения печатных плат.

При фиксированном уровне мощности более высокие напряжения уменьшают ток. Это означает, что можно использовать провода меньшего сечения, тем самым снижая их стоимость и вес. Увеличение напряжения питания  с12 В до 48 В приводит к уменьшению величины тока примерно в 4 раза, а это ведет значительному снижению сечения кабеля электропроводки автомобиля. Большинство новых гибридных автомобилей теперь работают на системе питания с напряжением в 48 В, и в этом направлении движутся практически все обычные автомобили с двигателями внутреннего сгорания.

Что касается электромобилей, то все они требуют высокого напряжения для питания приводного электродвигателя. Для создания достаточной мощности для приведения  автомобиля в движение уровни напряжения должны достигать значений от 400 до 800 В или более.

Задачи, стоящие перед автомобильной промышленностью, требуют инновационной высоковольтной электроники и управления питанием по всей цепочке сигналов. Производители автомобилей и поставщики Tier-1 теперь имеют источник передовых полупроводниковых решений для поддержки всех новых проектов.

Источники питания с переключаемым режимом (SMPS)

Как вы знаете, существуют три основных типа SMPS: источники переменного тока или выпрямители, преобразователи постоянного тока и DC — AC инверторы. Электромобили и гибридные автомобили используют все три типа. Для зарядки аккумуляторов используется источник переменного тока. Тенденция заключается в том, чтобы установить зарядное устройство в транспортное средство. Встроенное зарядное устройство (OBC) преобразует стандартное сетевое напряжение переменного тока в постоянный ток, подходящий для зарядки аккумулятора. Встроенные зарядные устройства значительно упрощают процесс зарядки и снижают затраты или минимизируют потребность в зарядных станциях.

Преобразователи постоянного тока используются во множестве ролей для питания процессоров и другой электроники в диапазоне от 48 В до 12 В.

Инверторы питают тяговые электродвигатели переменного тока, используемые в электромобилях и гибридных автомобилях. Такие электродвигатели переменного тока используются практически во всех электрических транспортных средствах из-за их большей эффективности. Частотно-регулируемые электроприводы обеспечивают управление скоростью.

До сих пор силовые MOSFET транзисторы были основным коммутационным устройством в большинстве этих источников. Однако эти устройства имеют ограничения по напряжению и току. При мощности от 4 до 6 кВт необходимы другие устройства. Одной из хороших альтернатив являются кремниево-карбидные (SiC) MOSFET. Для еще большей мощности лучшим выбором являются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT). Оба типа обеспечивают более высокое напряжение пробоя и более высокую текущую мощность наряду с быстрыми скоростями переключения, необходимыми для достижения хороших показателей эффективности.

В то время как SiC MOSFET и IGBT могут работать с более высокими уровнями мощности, требуемые для электромобилей и гибридных автомобилей, у них есть специальные требования к затворам и защите цепи. Высокое напряжение, применяемое в современных электроприводах, быстрая скорость переключения транзисторов и отрицательные напряжения(смена полярности) приводов являются необходимыми для обеспечения эффективного управления, в том числе и быстрого выключения .

Пример автомобильного источника питания с переключаемым режимом

Два хороших примера источника питания с переключаемым режимом — это встроенное зарядное устройство и инвертор тягового электродвигателя. В одном исполнении встроенное зарядное устройство (рисунок ниже) использует начальную ступень преобразования переменного тока с коррекцией коэффициента мощности для повышения эффективности. Полученный постоянный ток передается в DC-DC преобразователь, управляемый широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) для обеспечения регулирования выходного напряжения. На этом этапе заряжается высоковольтный аккумулятор.

Затем высоковольтный аккумулятор с помощью инвертора отдает мощность тяговому электродвигателю. На рисунке ниже показано, что для управления двигателем используется трехфазный полумост с IGBT. Для каждого IGBT используются специальные интегральные схемы — драйверы. Частота переключения транзисторов находится в диапазоне от 5 до 20 кГц. Обратите внимание на специальный источник питания и микроконтроллер для драйверов управления затворами транзисторами.

Драйверы управления затворами транзисторов являются критическим компонентом в конструкции инвертора. Эталонная конструкция доступна с использованием изолированного решения для драйверов управления кремниевыми IGBT или кремниево-карбидными MOSFET в конфигурации с полу управляемым мостом. Конструкция включает два двухтактных источника смещения для двухканального изолированного драйвера затвора, и каждый источник питания обеспечивает выходное напряжение + 15 В и -4 В. Эталонная конструкция содержит двухуровневую схему отключения, которая защищает МОП или IGBT транзисторы от превышения напряжения во время короткого замыкания.