​电动汽车

本技术文章系与 Prometo 功能安全和网络安全高级顾问 Jürgen Belz 共同编写。

从内燃机 (ICE) 过渡到电动汽车 (EV),需要至少新增五个电气/电子/可编程电子 (E/E/PE) 系统。图 1 描绘了电动汽车中的这些系统。

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图 1:典型电动汽车动力总成方框图

为了实现零尾气排放并减少对化石燃料的持续依赖,电动汽车开始在充电站“补充能量”。这些电动汽车充电站可使用太阳能和风能等可再生能源转化成电能,从而增加电动汽车对环境的积极影响。车载充电器与高压电池形成一个功能单元,确保快速、高效充电,同时保护电池免于过度充电。国际标准化组织 (ISO) 6469 第 1、2 和 3 部分描述了上述及其他安全要求 – 该标准负责制定道路电动车辆高压电气系统的安全要求。

电动汽车中的所有电子控制单元 (ECU) 都需要一个由高压/低压直流/直流转换器充电的 12V 电池,这有助于在低压 (12V) 电池和高压(400V 或 800V)电池之间实现电隔离。逆变器和电机(推进电机)为受控运动提供扭矩。具有高功率密度且非常紧凑的永磁同步电机通常部署在电动汽车推进电机中。在较低功率级别下,异步电机在电动汽车中的使用有限。该高压/低压直流/直流转换器的功能安全特性可帮助确保在电动汽车运行时充分发挥所有 ECU 功能,ISO 26262:2018 也对电动汽车牵引逆变器 (EVTI) 进行了概述。

例如,对于装有 ICE 的车辆,半导体元件的工作时间(或通电小时数)在 8,000 到 10,000 小时之间。而在电动汽车中,这会增加到 30,000 小时或更多。这是因为,半导体元件不仅在车辆行驶时,而且在车辆充电时都必须保持通电。这种功率值会带来一定的影响,例如,影响 ISO 26262 中随机硬件故障概率指标的计算,还需要工程师开发一种元件发生危险故障或时基故障的平均概率要低五倍的系统。

在电气化动力总成中,C2000实时微控制器 (MCU) 通常负责功率变换并与连接到总线的通用 MCU 通信,实现更高级别的安全性,如图 2 所示。

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图 2:电气化动力总成系统中的 C2000 实时控制

通常在无线升级中,您可能仍要考虑通信 MCU 和 C2000 实时控制器之间进行加密通信。在上述情况下,您需要评估威胁级别并确定系统级别的安全策略,从而充分利用 C2000 实时 MCU 提供的各种信息安全机制,如图 3 中所列。

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图 3:C2000 支持的安全机制状态

支持这些信息安全机制的一些技术特性包括:

  • 可保护内存块。

  • 总线主控器(例如 C28x 中央处理单元 (CPU)、控制律加速器和直接存储器存取)的存储器区域所有权。

  • 对某些存储器区域提供仅执行保护(在引导只读存储器中具有可调用的安全复制和安全循环冗余校验软件应用程序编程接口功能)。

  • 在从安全存储区域(也称为安全联合测试行动组)执行代码时,通过调试端口和逻辑保护 CPU 免于不当访问。

  • 每个产品具有唯一标识。

  • 用于 128 位高级嵌入式标准 (AES) 加密的硬件加速引擎。

  • 安全启动。

结语

由于电力驱动或电压转换器必须具有功能安全、高压安全、高能效和成本效益,因此挑战和复杂性呈指数级增加。使用 C2000 实时 MCU 进行设计时,电动汽车充电设计人员可选择使用满足所有这些要求的单个器件来解决这些挑战。

其他资源

关于德州仪器(TI)

德州仪器(TI)(纳斯达克股票代码:TXN)是一家全球性的半导体公司,致力于设计、制造、测试和销售模拟和嵌入式处理芯片,用于工业、汽车、个人电子产品、通信设备和企业系统等市场。我们致力于通过半导体技术让电子产品更经济实用,创造一个更美好的世界。如今,每一代创新都建立在上一代创新的基础之上,使我们的技术变得更小巧、更快速、更可靠、更实惠,从而实现半导体在电子产品领域的广泛应用,这就是工程的进步。这正是我们数十年来乃至现在一直在做的事。 欲了解更多信息,请访问公司网站www.ti.com.cn

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Silicon Labs(亦称“芯科科技”)电源隔离高级产品经理Charlie Ice近期针对电动汽车的EMI设计撰写了一篇技术文章,概要说明三种通过隔离产品有助于降低电磁干扰(EMI)的设计方法,欢迎参考应用。

EMI的基础

长期以来,电磁兼容(EMC)一直是电动汽车(EV)以及混合电动汽车和(HEV)系统关注的主要问题。传统的内燃机(ICE)车辆本质上是机械的,而电子设备属于机械动力装置的配套。但是,EV和HEV却大不相同。

使用高压电池,电动机和充电器将电能转换为机械运动。这些高压汽车系统很容易引起EMC问题。幸运的是,有多种减少隔离系统中的EMC的可靠技术。

在着手改善EMI之前,必须了解标准和测试中使用的基本术语。 EMC指的是设备的抗扰性和发射特征,而EMI仅关注设备的发射数值。CISPR 25是用于车辆的最常见的EMC标准,同时规定了EMI和抗扰性要求。

抗干扰能力是设备在存在干扰的情况下正确运行的能力。降低设备的EMI通常可以提高其对外界的干扰,因此许多设计人员主要致力于降低EMI并让抗扰性得到优化。

在CISPR 25中,EMI分为传导和辐射发射限值。两者之间的区别非常直观。EMI通过电源,信号线或其他线缆从一个设备传导到另一个设备。另一方面,辐射EMI穿过电磁场传播,从而干扰另一个设备。CISPR 25的EMI标准可确保在特定的测试条件下传导和辐射的发射低于指定的阈值,以减少车辆系统彼此干扰的机会。

共模是最大麻烦

任何EMI讨论的中心都是差模电流和共模电流。由于共模电流通常会引起EMI,因此绝大多数电路都使用差模电流工作。图1说明了平衡差分信号,其中包括用于返回电流的专用导体。不幸的是,返回电流通常会找到一条替代的,更长的返回源的路径,并产生一个共模电流。

图1 平衡差模电流返回电流的路径。

共模电流在两个路径中造成不平衡,从而导致发射辐射,如图2所示。幸运的是,可以通过一些设计改进来减少共模电流。然而,在探索这些方法之前,高压车辆系统还存在其他隔离挑战。

图2 平衡差分信号系统中显示的共模电流。

隔离有助于减轻EMI

隔离,尤其是数字隔离,是推动电动汽车革命的基本技术之一。隔离设备允许跨越分隔高电压域和低电压域的高阻抗势垒进行安全通信和信号发射。这些电源域的分离在两个电路之间创建了高阻抗路径,如图3所示。

图3 隔离在系统中的两个接地之间产生了很高的阻抗,有效地消除了彼此之间的电气连接。

这种高阻抗路径会给共模电流带来一个问题,该共模电流是由仅在一侧的电压变化引起的。这些感应电流必须找到返回其源极的路径,并且由于存在隔离栅,它们所选择的路径通常较长,无法准确定义且具有高阻抗。这些路径的较大环路面积导致辐射发射增加。值得庆幸的是,可以通过使用传统的EMI实践并针对数字隔离器进行一些修改来减少此问题和其他EMI问题。

降低EMI的三种简单方法

方法1:选择传输最小化的隔离器

数字隔离器利用CMOS技术创建隔离屏障并在隔离屏障上传输信号。使用高频RF信号跨越这些屏障传输信号,在许多数字隔离器中,默认输出配置确定何时激活RF发射机。如果隔离器发送的信号通常为高电平或低电平,则只需选择匹配的默认输出状态将使传输最小化,从而降低EMI和功耗。

图4 对于所示的总线传输,默认的高数字隔离器具有较少的内部RF传输。

图4说明了通过SPI总线配置,默认的低隔离器和默认的高隔离器之间的区别。选择适当的数字隔离器后,隔离设备周围的组件现在可以针对EMI进行优化。

方法2:选择正确的旁路电容

几乎每个数字隔离器都规定在电源引脚上使用旁路电容器,这会对系统的EMI性能产生巨大影响。旁路电容器通过在瞬态负载期间向器件提供额外的电流来帮助减少电源轨上的噪声尖峰。此外,旁路电容器将交流噪声对地短路,并防止其进入数字隔离器。

理想情况下,电容器的阻抗随频率降低。然而,在现实世界中,由于有效串联电感(ESL),电容器的阻抗在自谐振频率处开始增加。如图5所示,降低电容器的ESL会提高自谐振频率,并且电容器的阻抗开始增加。

图5 实际电容器模型以及非理想电容器中的阻抗与频率的关系。

通常,较小尺寸的电容器(例如0402)具有较低的ESL,因为ESL取决于两个电容器末端之间的距离。如图6所示,反向几何电容器提供了更低的ESL,尽管如此,即使采用最低的ESL,旁路电容器的放置也起着至关重要的作用。

图6 反向几何电容器(右)提供的ESL低于标准电容器(左)。

方法3:优化旁路电容器的位置

正确放置旁路电容器与选择低ESL电容器一样重要,因为PCB上的走线和过孔会引入串联电感。迹线的串联电感随长度增加,因此理想的是短迹线和宽迹线。同样,到数字隔离器的接地引脚的返回路径的长度会增加额外的串联电感。

只需改变电容器使其靠近电源和接地引脚,通常会减小返回路径的长度。图7说明了旁路电容器的理想位置和非理想位置。使用这些技术选择低ESL电容器并优化PCB设计将最大程度地降低旁路电容器的EMI。

图7 比较了旁路电容器的理想位置和非理想位置。

这些基本的降低EMI原理和技术为设计可满足CISPR 25及更高要求的汽车系统提供了基础。随着越来越多的车辆系统添加复杂的电子设备以及电动汽车变得越来越先进,EMI仍将是主要关注的问题。

随着电动汽车系统采用更高的电压来提高效率,对隔离的需求还将继续增长。通过考虑EMI并预先应用最佳实践,高压隔离汽车系统将可以满足当今和未来的EMI要求。

来源:Silicon Labs

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新型Wolfspeed WolfPACK™模块系列助力高增长的中功率技术的快速量产

2021年1月12日,美国北卡罗莱纳州达勒姆讯 –– 全球碳化硅技术领先企业科锐Cree, Inc. (Nasdaq: CREE) 宣布,推出Wolfspeed WolfPACK™ 功率模块,扩展其解决方案范围,并为包括电动汽车快速充电、可再生能源和储能、工业电源应用在内的各种工业电源的性能开启新时代。通过采用1200V Wolfspeed® MOSFET 技术,该新型模块在简单易用的封装内实现效率最佳化,从而帮助设计人员开发出尺寸更小、扩展性更好的电源系统,并显著提升其效率和性能。


与 Si 相比,采用 SiC基功率解决方案可以为一系列工业应用带来更快速、更小型、更轻量和更强大的电气系统。该新型 SiC 模块实现功率密度最大化,并在标准尺寸内简化设计,显著加快新一代技术的生产和推出,赋能包括非车载充电和太阳能解决方案在内的众多快速增长的工业市场。


Wolfspeed 功率产品高级副总裁兼总经理Jay Cameron表示:“Wolfspeed WolfPACK™ 功率模块的推出,扩展了我们的功率产品组合,覆盖了高电压功率应用的更广范围。这将帮助一系列高增长产业的变革,伴随着全球从 Si 向 SiC 转型的持续加速。功率密度的最大化和设计复杂度的最简化对于在中功率领域工作的工程师至关重要。该新型模块简化了布局,帮助加快电动汽车快速充电和太阳能基础设施的生产。”

Wolfspeed WolfPACK 功率模块提供目前市面上类似封装中最高的额定电流,提供出类拔萃的功率,同时紧凑型的体积帮助减小系统尺寸、降低系统复杂度、减少系统成本。该模块系列提供半桥与六管集成的配置以及多种导通电阻的选项。浏览www.wolfspeed.com/wolfspeed-wolfpack-pr 获取更多信息。

关于科锐Cree, Inc.

科锐是Wolfspeed功率和射频(RF)半导体的创新者。科锐Wolfspeed产品组合包括了碳化硅(SiC)材料、功率器件、射频器件,广泛应用于电动汽车(EV)、快速充电、逆变器、电源、电信、国防、航空航天等领域。

更多关于产品和公司信息,敬请浏览:www.cree.com

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专为电动汽车设计,适用于高电压和大电流逆变器应用的高功率 D3 GaN 8mOhm 产品,可实现更高的效率和更小的尺寸

  • 基于 D3GaN 技术的低导通电阻功率GaN 开关,用于 EV 市场
  • 专为 EV 逆变器应用设计的新解决方案

VisIC Technologies Ltd公司,汽车高压应用氮化镓(GaN)器件的全球领导者,自豪地宣布其新的低导通电阻产品发布。针对电动汽车逆变器应用,此款产品将有助于提高电机控制器效率,降低整机制造成本。新的8毫欧姆产品是支持客户和改进电源转换系统的持续努力中的又一步骤。

“与VisIC上一代产品相比,V8 产品将当前功率提高了一倍,电阻降低了 2.5 倍。这将使我们的电动汽车应用客户改进其逆变器系统,在尺寸、功率和成本方面更高效地实现设计目标。V8 产品是我们长期努力提供基于 D3 GaN 技术更好解决方案的又一进步。新产品的改进工作是和我们领先的客户密切合作完成的,为电动汽车的核心电气驱动系统带来有意义的改进,高功率牵引逆变器应用也可以此实现更高的功率密度。”VisIC市场营销高级副总裁兰·索弗先生补充说。

新产品的额定参数为 8毫欧姆、650伏特、200安培,与同类 IGBT 或 SiC 器件相比,在相同电流范围内可实现显著降低的开关损耗。客户可以将该新产品集成到分立封装和功率模块设计中。这项新技术可节省功率损耗,特别是在大电流电动汽车逆变器系统的功率循环测试中。

与现有的硅晶圆技术相比较,对于宽禁带器件SiC和GaN来说,制造更大电流的裸芯片非常有挑战。由于D3 GaN平台的精心设计,以及VisIC公司制造合作伙伴台积电的卓越制造,使得200安培 GaN功率晶体管的突破成为可能。这一突破将使电动汽车受益于GaN的高效技术,实现更具成本效益的电动汽车设计,助力于更绿色和清洁的地球。

此新闻稿和进一步信息 www.visic-tech.com

关于VisIC Technologies Ltd.公司

VisIC Technologies是电动汽车应用中氮化镓功率器件的全球领导者,专注于大功率汽车解决方案。 其高效且可扩展的产品是基于对氮化镓的深厚技术知识和数十年的经验积累。VisIC致力于在能量转换系统的尺寸和成本方面提供性能改进,并致力于在开发阶段为客户提供高质量的支持。VisIC提供基于化合物半导体氮化镓(GaN)材料的高功率晶体管产品,旨在为兼具成本效益的高性能汽车逆变器系统提供产品。

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近日,比利时泰森德洛 - 全球微电子工程公司 Melexis 宣布推出 MLX 91211 霍尔效应电流传感器 IC。该产品具有两个版本,提供不同的功能和性能选项,可满足成本敏感型应用的需求。这类应用涵盖皮带驱动型启动器发电机、面向低速车辆的牵引逆变器和电动踏板车,以及电动叉车和托盘搬运车等工业应用。

这款非侵入式传感器 IC 结合铁磁芯,可生成与电缆或电流母线中的电流成正比的模拟输出。输出信号带宽为 40kHz,该传感器 IC 的阶跃响应时间低于 10µs。

MLX 91211 LUA-ABT 在三个温度点进行了出厂校准,对于要求更严苛的电机控制用例,实现更高精度。价位最低的版本 MLX 91211 LUA-ABA 适用于带宽和精度要求较低的应用。

“这类成熟的混合动力和电动驱动架构可应用于经济实用的电动汽车牵引解决方案,例如两轮和三轮电动单车、电动踏板车和低速电动车以及入门级乘用车上的 12V/48V 启动器发电机应用。”Melexis 电流传感器 IC 产品线经理 Bruno Boury 表示,“我们的 MLX 91211 传感器 IC 具有实现出色驾驶体验所需的高精度(热灵敏度漂移低于 1.5%),且功能可靠,价格实惠,可帮助设计师打造极具价格竞争力的模块。到目前为止,铁磁芯集中技术仍是最可靠和最成熟的非接触式电流传感技术。”

这两款器件都符合 AEC-Q100 0 级标准,工作环境温度范围在 -40 °C 至 150 °C,可用于各种汽车环境,包括发动机罩下。

MLX 91211 系列现已全面量产,采用 TO92-3L (UA) 通孔式和 TSOT23-3L (SE) 贴片式封装。

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