电动汽车车载充电器电路解决方案简介

过去，电子系统在汽车总价值中仅占 1% 的比重。但现在，消费者需要更多技术，技术功能日益增加，这些导致汽车内部所需的电子控制单元 (ECU) 的数量迅猛增长。例如，在当今的高端汽车中，可能需要多达 100 个 ECU 和 1 亿行代码，远远超出以往的汽车，这也印证了 ECU 对汽车构成的重要性。 随着电子系统取代手动和机动组件，电力将为先进的油电混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 提供更多动力，同时减少 CO2 排放。鉴于所有这些趋势，未来的驾驶必将与现在大不相同。除了与其他汽车进行通信之外，减排的混合动力汽车和自动驾驶的零排放电动汽车还需要在汽车各个系统内部进行通信，以及与城市和道路基础设施进行通信。德州仪器 (TI) 的白皮书“Driving the Green Revolution in Transportation”（推动交通运输领域的绿色革命）中进一步详细探讨了混合动力汽车和电动汽车的优势。以下几大主要因素极大推动了消费者对混合动力汽车和电动汽车的需求：内燃机的环境法规压力电力传动系统和电池技术的进步消费者对便利性和信息娱乐功能的期待但是，这些创新技术的功率负载要求日益提高，超出了传统的 12 V 铅酸电池的容量限制，从而成为一大制约因素。汽车行业推出了一种解决方案，旨在满足持续增长的电气化需求。他们开发了 48 V 辅助电气系统，提供比传统 12 V 电池更多的电能。但是，出于安全和绝缘控制的目的，这些高电压系统需要广泛的隔离，以保护驾驶员和乘客的安全，防止遭到电击，并且要避免系统安全故障。为了帮助克服这些设计挑战，打造更安全高效的交通运输系统，TI 提供了众多解决方案和设计辅助工具。下面我们将介绍一些此类零件和参考设计选择。TIDA – 德州仪器 参考设计TIDA-03040 – 基于分流器的汽车级 ±500 A 精密电流检测参考设计：TI 这种基于分流器的电流传感器参考设计（图 1）提供小于 0.2% 的 FSR 精度，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。很多汽车应用都需要精密电流检测，包括电池管理系统、电机电流等。这些关键应用的精度不佳，通常是因非线性、温度漂移和分流器容差而导致。此设计通过使用 TI 的分流监视器 (INA240) 和信号调节器 (PGA400-Q1) 解决了这些问题。

图 1：德州仪器 的 TIDA-03040 参考设计方框图，适用于基于分流器的汽车级 ±500 A 精密电流传感器。（图片来源：德州仪器）TIDA-03050 - mA-kA 范围的汽车级分流传感器参考设计：在此参考设计中，我们使用母线类型的分流电阻器，来检测 mA 至 KA 范围的电流。电动和混动汽车对高容量电池的需求持续增长，这迫使我们扩大工作电流范围，采用高度精确的电流传感器来满足监控需求。由于存在大量的系统噪声，精确测量三个不同量级（mA 至 A、1 A 至 100 A、100 A 至 1,000 A）的电流成为一大严峻挑战。为了解决这个问题，此设计使用了 TI 高分辨率模数转换器 (ADC) 和高精度分流监视器。TIDA-01604 - 用于 HEV/EV 车载充电器的 98.6% 能效、6.6-kW 图腾柱 PFC 参考设计：此参考设计（图 2）的基础是碳化硅 (SiC) MOSFET，由带有 SiC 隔离式栅极驱动器的 C2000 MCU 所驱动。此设计实现了三相交错，在连续导通模式 (CCM) 下工作，在 240 V 输入和 6.6 kW 全功率下，能效达到 98.46%。由于 C2000 MCU 实现了切相和自适应空载时间控制，因而改善了轻负载功率因数。栅极驱动器板（请参见下文讨论的 TIDA-01605）可以提供 4 A 拉电流和 6 A 峰值灌电流，同时实现增强的隔离和耐受力，具有 100 V/ns 以上的共模瞬态抗扰度 (CMTI)。该栅极驱动器板还包含两级断开电路，如果发生短路情况，可以防止 MOSFET 出现电压过冲。

图 2：德州仪器 用于 HEV/EV 车载充电器的 TIDA-01604 参考设计（图片来源：德州仪器）TIDA-01605 - 提供两级断开保护的汽车级双通道 SiC MOSFET 栅极驱动器参考设计：这种 TI 参考设计采用了汽车级隔离式栅极驱动器解决方案，用于驱动半桥配置的 SiC MOSFET。此设计包括两个用于双通道隔离式栅极驱动器的推挽偏置电源，每个电源能够提供 +15 V 和 -4 V 输出电压以及 1 W 输出功率。如上文所述，此栅极驱动器能够提供 4 A 拉电流和 6 A 峰值灌电流。它的增强隔离能够耐受 8 kV 峰值电压和 5.7 kV RMS 隔离电压，且 CMTI 大于 100 V/ns。同样如上文所述，此板还包含两级断开电路，如果发生短路情况，可以防止 MOSFET 出现电压过冲。此设计的第二级断开具有可配置的 DESAT 检测阈值和延迟时间。为了连接故障和复位信号，我们使用了 ISO7721-Q1 数字隔离器。总体而言，此参考设计适用于 40 × 40 mm 紧凑外形的双层印刷电路板 (PCB)。TIDA-01168 - 用于 12 V/48 V 汽车系统的双向 DC-DC 转换器参考设计：此参考设计作为 12 V/48 V 汽车系统的 4 相双向 DC-DC 转换器开发平台。该系统使用一个 TMS320F28027F MCU 和两个 LM5170-Q1 电流控制器，用于功率级控制。C2000 MCU 提供电压反馈，而 LM5170-Q1 子系统则使用平均电流反馈来进行电流控制。使用这种控制方案时，无需多相转换器通常需要的相电流平衡。基于 LM5170-Q1 的系统可以实现高集成度，减小占用的 PCB 面积，简化设计，加快开发速度。