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TI发布车用隔离新品:成本降50%,方案尺寸减90%

在电动汽车销量增长的同时,电动汽车的电池系统也正从400V过渡到800V,这需要应用到更高效的隔离器件来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件之间的安全通信……

据 Gartner预测,2022年全球将出货600万辆电动汽车(包括电池电动车和插电式混合动力车),这一数字高于2021年的400万辆。在电动汽车销量增长的同时,电动汽车的电池系统也正从400V过渡到800V,这需要应用到更高效的隔离器件来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件之间的安全通信。NjPesmc

这对电源管理器件供应商而言,系统的升级也要求隔离器件的更新迭代。过去25年里,德州仪器(TI)一直在深耕隔离领域的创新,到2022年5月上旬发布了一系列新隔离产品。这些新产品有助于提高电动汽车的安全性,可将解决方案尺寸减少90%、成本降低50%NjPesmc

TI在隔离领域的创新

新能源汽车的电池系统正从400V向800V过渡,这一升级过程对电源管理提出了更多的挑战。TI电源开关、接口和照明部门副总裁兼总经理Troy Coleman介绍说,TI正在以多种方式支持汽车平台向800V过渡,通过不断推出新产品来应对低EMI、功率密度、低静态电流、低噪声和隔离所带来的挑战。NjPesmc

为了满足800V系统的需求,TI正更新其隔离器件产品。比如,解决固态继电器的几个设计挑战,将隔离集成到更小体积的封装,从而拥有更高功率密度,并在现有解决方案基础上进一步降低静态电流,以节省电池寿命;又如,在集成隔离的DC/DC转换器上,则通过减少重量、尺寸以及提高800V电动汽车的效率,来提高功率密度。此外,TI也在硅和封装技术方面不断创新,以支持日益升高的电压强化隔离。NjPesmc

随着市场对安全和更高电压的提出更高的要求,也增加了对可靠的继电器解决方案的需求。燃油汽车通常只使用12V电池,该类汽车不需要隔离或高压电路。而高压电动汽车的电池电压通常在400-800V范围内,电动汽车则需要进行隔离来保护乘客,动力电池汽车上的所有设备提供动力,因此它的动力效率在电动汽车上变得更加关键。NjPesmc

800V母线电动汽车要求隔离器件能在车辆的整个生命周期内都能可靠地隔离高压。“在正常运行期间,车辆还可能暴露于浪涌和过电压,这会进一步加重隔离屏障的压力。为确保稳健性和质量,TI的内部高压测试和认证流程都超出了VDE0884和IEC-60747-17规定的要求。”Troy补充说,TI专有的电容和电感隔离技术为电力和信号传输提供屏障,该电源和信号用于驱动栅极驱动器、开关或其他功能等电路。NjPesmc

当然,TI在隔离领域创新所遇到的最大的挑战是——“如何将如此多的功能集成到一个小封装中,同时必须保持高电压的隔离要求和爬电额定值”。Troy介绍说,TI是通过采用可靠的测试方法,以及封装设计上的创新来解决这个难题。NjPesmc

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TI在高压和安全关键型应用中,致力于实现超高的工作电压和可靠性、缩小解决方案尺寸并降低成本。从2006年发布ISO721D 业内首款SiO2电容隔离器,到现在发布最新的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1固态继电器。NjPesmc

全新固态继电器:TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1

TI的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1完全集成电源和信号隔离,有助于在几微秒内管理电动汽车动力总成系统中的多千伏级隔离。这些新器件可提供业界出色的可靠性和更小的解决方案尺寸,同时降低高压汽车系统(包括800V电动汽车)的物料清单 (BOM) 成本。NjPesmc

“如果设计初衷是在电动汽车电池管理系统等隔离高压环境中实现更高的可靠性则通常需要增加组件,这样会导致车辆的尺寸、重量和成本增加。TI全新的固态继电器产品系列在单一芯片中集成了电源和信号传输,有助于工程师在设计中省去组件,并缩小解决方案尺寸和降低成本。”Troy表示。NjPesmc

具体来看,TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1具备以下优势——NjPesmc

• 利用独特的方法,全新固态继电器系列可在一个芯片上穿过单一隔离栅传输功率和信号;NjPesmc

• 该产品系列的集成功能可从设计中至少取消三个组件,与竞争解决方案相比,解决方案尺寸至多可减少90%,成本最多可减少50%;NjPesmc

• 与长期使用易出故障的机电继电器解决方案相比,TPSI3050-Q1的工作寿命可增加10倍,提供的增强型隔离高达5kV RMS;NjPesmc

• TPSI2140-Q1有助于更快地检测高压电池管理系统的故障并提升安全性,与光继电器相比具有更高的可靠性。NjPesmc

Troy针对TPSI2140-Q1做了较为详细的介绍。他表示,TPSI2140-Q1主要用于在电池管理和能源管理应用中可靠地连接和断开测量通道,例如隔离检查、电池组电压监测、直流环节电压监测、接触器监测和端口电压监测。“TI的固态继电器产品组合,还集成了隔离电源、数字隔离器和栅极驱动器的功能,可以节省成本、组件数量和电路板空间。TPSI2140-Q1更集成了高压MOSFET,能够进一步节省成本和空间。”NjPesmc

另外,Troy也解释了TI的固态继电器和隔离栅极驱动的区别。固态继电器是为低频开关而设计的。虽然SSR可以在千赫兹范围内切换,但它们并非针对高频路径进行优化设计,比如牵引逆变器中的半桥功率级IGBT,隔离式栅极驱动器更适合这些应用。而固态继电器更适合开关频率较低的断开/连接负载开关应用。NjPesmc

其他新品:增强型隔离式比较器和集成变压器

大功率工业和汽车应用对提升系统弹性的需求也正在增加,设计人员需要开发可更有效容错的高压系统。TI全新增强型隔离式比较器AMC23C12,为业界提供了超小的解决方案,可实现隔离式双向过流、过压和过热检测。AMC23C12结合了标准比较器和稳健的电隔离屏障,可缩小解决方案尺寸和降低成本。NjPesmc

AMC23C12的亮点有:通过集成一个宽输入范围低压降稳压器、一个窗口比较器和一个精密电压基准,将解决方案尺寸缩小50%;在最恶劣情况下跳变阈值精度低于3%,有助于工程师减少设计裕度,支持更小尺寸的无源器件;小于400ns的响应时间,提供超快过流和过压检测,从而更好地保护系统;通过单个外部电阻器实现可调跳变阈值,可促进不同设计重复使用。NjPesmc

随着系统尺寸变得越来越小,其中的组件也必须缩减尺寸和间距,这也造成了更多隔离设计挑战。于是,TI在2020年推出了集成变压器UCC12050,这是首款使用TI集成变压器技术开发的器件,缩小了隔离式电源传输使其可纳入IC尺寸的封装中,实现了高密度隔离式直流/直流电源转换,且能保持低EMI和高可靠性。据了解,该器件适用于工业运输电网基础设施和医疗设备。NjPesmc

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到2021年,TI的集成变压器有了新进展——适用于电动汽车、混合动力电动汽车、电机驱动系统和并网逆变器的UCC14240-Q1发布,这是一款具备业内尺寸超小且精度超高的1.5W隔离式直流/直流偏置电源模块。UCC14240-Q1带有集成变压器的汽车类SPI可编程栅极驱动器和偏置电源参考设计,是适用牵引逆变器和车载充电器中电源开关的隔离式偏置电源和隔离式栅极驱动器。NjPesmc

UCC14240-Q1的特性有:为牵引逆变器中大功率碳化硅开关提供隔离式偏置和隔离式驱动提供经过测试的设计;简化驾驶员高级保护的功能安全认证;支持在800V动力总成中使用高隔离3kV RMS;单个IC上的+15V/-5V完全隔离转换。NjPesmc

小结

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伴随市场对电池系统应用要求的进一步提升,TI在汽车隔离方面不断增加的产品线以更经济、更好的新方式应对隔离挑战。截至目前,TI已经在隔离领域推出了数字隔离器、隔离式ADC、隔离式放大器、隔离式接口IC、隔离式栅极驱动器、适用于信号隔离器的电源、隔离式比较器、固态继电器等八类产品。这些产品的工作可使用在耐受极端温度和系统噪声的环境,适用于超高的工作电压,可延长寿命并提供更大范围的保护,助力用户简化设计并减少系统尺寸。NjPesmc

据透露,TI.com/SSR上已发售预量产的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1,可使用TPSI3050Q1EVM和TPSI2140Q1EVM评估模块测试性能。此外,预量产的AMC23C12也在TI.com/SSR上发售,工程师可通过AMC23C12EVM评估模块测试性能。NjPesmc

责编:Clover.li
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李晋
国际电子商情助理产业分析师,专注汽车电子、人工智能、消费电子等领域的市场及供应链趋势。
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