L’elettronica dei veicoli elettrici (EV) e ibridi (HEV) si sta evolvendo a causa della crescente quantità di sistemi presenti a bordo che gioca un ruolo significativo nella forma e nelle funzioni complessive di questi veicoli.
I conducenti, tuttavia, non sono cambiati; si aspettano ancora che i loro veicoli elettrici o HEV migliorino l’autonomia, diventino più convenienti, si carichino più velocemente e offrano un elevato grado di sicurezza. Ma come possono i progettisti dare loro di più, a meno?
Con requisiti più rigorosi per la sicurezza, l’efficienza e le emissioni elettromagnetiche (EMI), recentemente sono emerse anche in campo automobilistico diverse nuove architetture di alimentazione che rispondono a queste esigenze, inclusa un’architettura di alimentazione distribuita della tensione di polarizzazione con un percorso di alimentazione individuale per ciascun carico.
Architetture di alimentazione tradizionali nei veicoli elettrici
L’approccio tradizionale mostrato nella Figura 1 è un’architettura di alimentazione centralizzata, che utilizza un singolo dispositivo switching per generare le tensioni di polarizzazione per tutti i gate.
Le architetture centralizzate hanno rappresentato storicamente una soluzione popolare dato il loro basso costo, ma questa topologia può rendere difficile la gestione dei guasti e la regolazione della tensione, oltre a presentare problemi di configurazione. Inoltre un’architettura centralizzata può generare maggiori disturbi e obbligare a utilizzare componenti pesanti e di notevoli dimensioni in un’area magari non adatta del sistema.
Infine, poiché l’affidabilità e la sicurezza rappresentano una priorità, gli alimentatori di un’architettura centralizzata mancano di ridondanza e potrebbero causare gravi guasti del sistema se un singolo componente dell’alimentatore dovesse guastarsi. L’implementazione di un’architettura distribuita per la protezione contro i guasti dell’alimentazione consente di migliorare l’affidabilità del sistema.
L’architettura distribuita migliora l’affidabilità del sistema
Se un componente elettronico dell’inverter di trazione si guasta mentre l’auto sta viaggiando alla massima velocità, è auspicabile che il veicolo non si fermi improvvisamente o perda potenza. Gli alimentatori ridondanti e di backup all’interno del gruppo propulsore sono diventati la norma per garantire sicurezza e affidabilità.
Un’architettura di alimentazione distribuita soddisfa gli standard di affidabilità all’interno di un veicolo elettrico, assegnando a ciascun gate driver un’alimentazione dedicata, ben regolata e nelle immediate vicinanze. Questa architettura fornisce ridondanza e migliora il modo in cui il sistema reagisce ai guasti localizzati. Ad esempio, se un’alimentazione accoppiata a un gate driver si guasta, le altre cinque alimentazioni rimangono operative, così come i loro gate driver e i relativi elementi di potenza. Se cinque dei sei driver del controller rimangono operativi, il motore può rallentare e spegnersi in modo controllato, o potenzialmente continuare a funzionare indefinitamente. I passeggeri nel veicolo potrebbero anche non riconoscere un problema di questo tipo.
La grandi dimensioni, il peso e lo spazio occupato dagli alimentatori che forniscono la tensione di polarizzazione, dai flyback ai controller push-pull, impediscono l’uso di un’architettura distribuita; il sistema di alimentazione EV richiede qualcosa di più avanzato: un modulo trasformatore integrato più piccolo come il modulo di alimentazione di polarizzazione DC/DC isolato UCC14240-Q1, che integra il trasformatore e i componenti in un’unica soluzione, ottimizzata con magneti planari a bassa altezza.
L’integrazione del trasformatore planare in un package delle dimensioni di un circuito integrato consente di ridurre drasticamente le dimensioni, l’altezza e il peso del sistema di alimentazione. L’integrazione del trasformatore e della funzionalità di isolamento nell’UCC14240-Q1 offre un facile controllo e una bassa capacità primario-secondario, migliorando l’immunità ai transitori di modo comune (CMTI), in applicazioni compatte e a commutazione rapida. L’integrazione completa del controllo del lato primario e secondario consente di ottenere un’alimentazione di polarizzazione DC/DC isolata regolata del ±1,3% in un unico dispositivo. Con una potenza di uscita di 1,5 W fino a 105 °C, l’UCC14240-Q1 può alimentare un gate driver in un’architettura distribuita, come mostrato nella Figura 2.
Altre considerazioni sul powertrain nei sistemi di trasmissione con un’architettura distribuita
I veicoli elettrici richiedono un elevato standard di affidabilità e sicurezza e tale requisito riguarda anche i singoli sistemi di conversione di potenza. I componenti devono funzionare in modo controllato e comprovato a temperature ambiente di 125°C e oltre. I gate driver isolati di tipo smart includono diverse funzioni di sicurezza e diagnostica. Anche gli alimentatori di polarizzazione a bassa potenza che alimentano i gate driver e altri componenti elettronici nel sistema richiedono miglioramenti, compresi le modalità per ottenere una bassa EMI. Sfruttando la tecnologia proprietaria integrated transformer di TI che integra nel chip un trasformatore con capacità da primario a secondario di appena 3,5 pF, l’UCC14240-Q1 può mitigare le interferenze elettromagnetiche causate dalla commutazione ad alta velocità e raggiungere facilmente un CMTI di oltre 150 V/ns.
La vicinanza dell’alimentazione di polarizzazione al gate driver in un’architettura distribuita semplifica il layout del circuito stampato e consente una migliore regolazione della tensione che alimenta il gate driver isolato che pilota i dispositivi di potenza (IGBT, MOSFET SiC o GaN). Questi fattori portano a una migliore efficienza e affidabilità dell’inverter di trazione, che in genere opera con potenze comprese tra 100 kW a 500 kW. L’elevata potenza di questi sistemi richiede la massima efficienza per garantire la minima dissipazione di calore; lo stress termico è infatti la principale causa del guasto dei componenti.
Con l’aumento delle potenze in gioco, è anche tempo di prendere in considerazione l’impiego di elementi di potenza in carburo di silicio e nitruro di gallio che consentono di realizzare alimentatori più piccoli ed efficienti. Entrambe queste innovative tecnologie richiedono tensioni di gate driver più precise rispetto ai più tolleranti transistor e IGBT al silicio. Richiedono anche una bassa capacità della barriera di isolamento e un alto CMTI, perché lavorano con tensioni e frequenze più elevate, molto più alte di quanto si potesse immaginare sino a poco tempo fa.
Verso un futuro affidabile e a lungo termine per i veicoli elettrici
Gli automobilisti non si arrendono mai e continuano a richiedere veicoli con emissioni più basse, con maggiore autonomia, con un livello di sicurezza e affidabilità ancora più alto e, in generale, con ulteriori funzionalità a un costo inferiore. Solo i progressi nell’elettronica di potenza possono rendere possibili queste richieste, comprese le innovazioni nelle architetture di potenza e nei gate driver isolati.
Il passaggio a un’architettura di alimentazione distribuita aumenta notevolmente l’affidabilità negli ambienti con elevate tensioni di funzionamento, ma comporta l’aumento delle dimensioni e del peso dei componenti aggiuntivi. Soluzioni di alimentazione completamente integrate come il modulo UCC14240-Q1, che utilizza elevate frequenze di switching, possono fornire sia più spazio a livello di sistema che risparmio di peso.
Per ulteriori informazioni su questo argomento, Texas Instruments ha pubblicato i seguenti white papers e articoli tecnici:
