逆变器

车载逆变器又称电源转换器,是将汽车的12V直流电转换为220V交流电,以便在车内可以为手机、笔记本电脑、游戏机、电动工具等多种电器提供快捷供电。随着汽车电子化程度的不断提高,车载逆变器的市场需求也在稳步增长。

爱普特车载逆变器方案前级由APT32F1023B控制推挽升压,后级基于APT32F1023B全桥逆变。输入电源11-15V、28.5A,可逆变输出为110V-120V 、60HZ、2.6A、300W。还自带2个5V、4.8A USB接口,为电子设备提供了极大的便利。该方案不仅具有高度的稳定性,还有极高的安全性能,能有效地避免电子设备被烧坏。

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方案成品板

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前级模块

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后级模块

方案特性:

  • 具备充足的存储器,可进行程序代码和相关数据的存储。

  • 具有丰富的PWM资源,如EPT、GPT等模块,可控制输出波形,确保输出的交流电稳定可靠。同时采用温控方式控制散热风扇,有效降低设备运行温度。

  • EPT具有硬件紧急模式,EPT具有硬件紧急模式,可选择LVD触发信号源 ,实现PWM输出的保护联动,从而有效防止MOS管损坏,提升设备的安全性,实现PWM输出的保护联动,从而有效防止MOS管损坏,提升设备的安全性。

  • 内置多路ADC通道,采用12位模数逐次逼近电路,最大转换速度1MSPS,可用于精准测量电流、电压、温度等关键参数等。

  • 配备了多种通信接口:如UART、SPI、I2C等,方便远程监控或与其他设备进行高效通信。

方案框图:

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该款车载逆变器方案采用的主控MCU是爱普特APT32F1023B,这是爱普特基于自研IP库及RISC核研发的全国产高可靠32位MCU,搭载增强型PWM、12位高精度ADC,具备宽电压、高信噪比、优异的EFT、CS、ESD性能、触摸检测等功能。

更多APT32F1023B的芯片特性:

  • 片载64K程序闪存,独立2Kbytes数据闪存

  • 内含4Kbytes SRAM,可用于堆栈,数据存储,代码存储

  • 工作温度:40 to 105°C

  • 工作电压范围:1.8 to 5.5V

  • 最高工作频率:24MHz

  • 中断控制器:支持动态配置的可嵌套中断 (NVIC)

  • 增强的时钟和功耗控制器(SYSCON)

  • 独立看门狗定时器(IWDT)

  • 1x16位增强型定时器/计数器(EPT),每个TIMER支持7路PWM输出功能,其中6路可配置为互补带死区

  • 1x16位通用定时器/计数器,支持2路PWM输出功能 (GPT)

  • 1x16位计数器(COUNTERA),支持自动重载功能以及单次或者循环计数功能(载波发生器)

  • 2x16位基本计时TIMER (Basic Timer)

  • 1x16位低功耗TIMER(LPT)

  • 1x16位RTC

  • 1x8位WWDT

  • 串行通信接口:1x I2C,3x UART,1/0 x SPI,1 x SIO

  • 多达16路的12位ADC,支持内部/外部VREF输入

  • 支持96bit UID功能

  • 最多支持22个GPIO,所有GPIO均可配置为外部中断

  • 支持三种工作模式:RUN,SLEEP,和DEEP-SLEEP模式

  • 多达17路的触摸按键控制器

  • 4 个大电流驱动管脚(每个管脚支持灌入最大电流为120mA)

APT32F1023B以其优异的性能及卓越的品质保证,获得了广大客户的认可,正广泛应用于工业控制,触控家电,消费电子设备等领域,并成为以上应用市场国产替代和创新产品的更优选择。

如需了解更多产品或方案详情,请联系爱普特微电子。

来源:爱普特微电子

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围观 11

目前电动汽车市场发展迅猛,对提高电动汽车性能的需求也随之增加了。设计人员和汽车制造商需要加快产品上市速度,同时优先考虑如何提高效率和终端用户体验。另外,还要寻找合适的解决方案,开发包括电动汽车牵引逆变器在内的广泛应用,而这无疑是一个挑战。恩智浦S32K39 MCU是我们S32K系列的新成员,将提供优势解上述燃眉之急。

为什么S32K39 MCU适用于电气化

为了保证电动汽车的高性能,需要考虑很多因素,包括电池管理、高效电机驱动、快速充电和整个电网的负载平衡等。恩智浦广泛的电气化解决方案一直在整个生态系统中提供高效的控制,即将推出的S32K39也不例外。

S32K39 MCU系列专为满足电动汽车牵引逆变器控制需求而创建。它具有多个令人印象深刻的优势,包括强大的性能、广泛的集成、可靠的联网功能、高级信息安全和功能安全功能。因此,它能够精准地控制牵引逆变器,而牵引逆变器在电动汽车的正常运行、电池的性能以及驾驶体验方面又发挥着至关重要的作用。

该系列MCU具有广泛适用性,也可用于牵引逆变器控制之外的各种电动汽车应用,包括电池管理(BMS)、车载充电(OBC)和DC/DC转换。它们的信息安全和功能安全能力超越了传统的汽车MCU,而且还支持硬件隔离、时间敏感网络(TSN)和高级加密等技术,与区域汽车电子电气架构软件定义汽车兼容。

S32K39与众不同的特性

S32K39 MCU是高性能S32K系列的一员。S32K39 MCU具有与众不同的特性,可处理两个牵引逆变器。它们搭载了4个锁步对排列的320MHz Arm Cortex-M7内核、两个可分锁步内核、两个电机控制协处理器和一个数字信号处理器(DSP)。它们能够支持两个200kHz的控制回路,这两个回路与IGBT以及SiC和GaN电源开关搭配工作,以提高能效并实现更高的开关频率。这有助于减少电机的尺寸、重量和成本,并扩大驱动范围。此外,它们有高达6MB的内置闪存和800KB的SRAM。该MCU具有经过ISO/SAE 21434认证的网络安全,开发流程符合ISO 26262功能安全流程标准。

恩智浦致力于帮助设计人员创建系统级功能安全设计并符合相关标准。了解我们如何帮助您实现功能安全应用,请点击这里>>

S32K39内置了硬件安全引擎(HSE),使用公钥基础架构(PKI)和密钥管理实现可信启动、安全服务和安全无线(OTA)远程升级。另外,它还有两个电机控制协处理器和NanoEdge™高分辨率脉宽调制(PWM),可实现更高的性能和精准控制。对于旋转变压器励磁,它们的多通道模拟配有SAR和∑-ΔA/D转换器,以及比较器和正弦波发生器。S32K39集成了模拟功能,还支持安全软件解析器,无需分立组件和解析器到数字转换器等外部组件,可节省成本。

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S32K39框图

想在开发电动汽车牵引逆变器应用方面获得领先优势,请来了解S32K39的重要特性>>

S32K39 MCU在电动汽车中的应用

S32K39 MCU既支持传统的绝缘栅极双极性晶体管(IGBT),也支持新推出的碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)技术。它们可以独立运行,能够管理两个驱动转换器。此外,它们还可以通过TSN作为远程智能执行器来驱动3个或4个电机。如果与恩智浦S32E实时处理器结合使用,它们可以作为电动汽车推进域的控制中心,控制两个额外的推进逆变器。这种功能支持汽车制造商通过4个电机来提高车辆性能和操控性。

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双牵引逆变器控制底座演示

当与恩智浦FS26安全系统基础芯片(SBC)和恩智浦GD3162高压隔离栅极驱动器结合使用时,S32K39 MCU可作为ASIL D应用的双牵引转换器解决方案。FS26 SBC为系统供电并确保隔离式安全监测,而GD3162栅极驱动器则提供可调动态栅极强度以适应不同的驱动情况和PWM死区时间强制执行,从而减少开关损耗并提高效率。此外,还有响应迅速的错误保护机制。

系统供货情况

主要客户现在可以使用工程样片、评估板以及一系列全面的软件支持与工具。可与S32K39 MCU配套工作,S32K39 MCU可与恩智浦FS26 SBC及高级高压隔离栅极驱动器GD3162结合使用,为安全的逆变器控制系统提供可调节动态栅极强度控制。对于牵引逆变器开发,二者均支持最高级别的功能安全等级(ASIL D)。该产品计划于2024年初发布并量产。

本文作者

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Nicola Concer是恩智浦汽车RT控制器产品经理,专注于电气化和区域电子电气架构市场。此前7年,他担任恩智浦以太网交换机产品经理。Nicola拥有博洛尼亚大学的计算机科学博士学位,博洛尼亚大学与意法半导体和纽约哥伦比亚大学合作。

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Allan McAuslin是负责恩智浦汽车视觉和自动驾驶处理器解决方案的产品管理。过去8年,Allan一直致力于开发ADAS的处理器解决方案,支持前置摄像头、环绕视图和传感器数据融合等应用。他与合作伙伴、一级汽车制造商密切合作,探索行业发展趋势并创建处理器解决方案,帮助客户加快高度自动化汽车技术的部署。

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David在电子和半导体企业的产品工程、项目管理和产品营销方面担任过多个职位。近十年来,他担任恩智浦产品线经理,负责为恩智浦开发功能安全系统基础芯片。他在汽车市场上经验包括动力系统电气化以及自动驾驶市场,重点研究电源管理和功能安全。David拥有物理工程、半导体物理和商业管理硕士学位。

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Namrata Pandya在恩智浦担任高压栅极驱动器产品营销经理。在过去15年里,Namrata曾在安森美半导体(ON Semiconductor)和美国微芯科技公司(Microchip Technology)工作,管理着价值超过6000万美元的半导体产品组合的业务开发和产品线。她负责推动16个产品系列从概念到上市的整个过程。Namrata拥有圣何塞州立大学电气工程硕士学位。

来源:NXP客栈

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围观 18

2022年底,瑞萨举行了基于RA6T2的1KW inverter方案在线研讨会,在此将材料和大家做分享。

参考设计指标概览

设计指标:48V直流输入,经过boost升压到340V,再逆变成220V交流输出 -- 50Hz,60Hz可选。输出功率1KW。

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整机效率、谐波畸变率等参数请参看下表:

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数字电源是各个拓扑结构组成的,比如这次的逆变器使用boost升压拓扑,再加上一个DC/AC的逆变拓扑实现。

系统结构

  • 主功率部分

● 交错Boost + 单极性逆变

● 采用单极性SPWM控制方法,PID闭环算法实现48VDC倒220VAC的1KW逆变

  • 驱动电路

  • 电流电压采样电路

  • 最小控制系统:OLED屏和用户按键,选择系统输出模式,显示输入输出电压电流参数

  • 温度采集和散热

● 温敏电阻,MOS管控制风扇开关

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这个方案是一个交错boost,加DC/AC的拓扑。为什么用交错呢,因为电压比较低,48V升1KW的话,电流会比较大。电流大,用交错比较好,把电流分摊了,一路就600W。如果不分摊,首先电感会比较大,MOS管选择的电流也会大,都会比较难选,也会影响整机的效率。分开电流小很多,包括输入端纹波电流。交错boost加上后面的DC/AC。DC/AC是一个图腾柱的架构,这个产品把D1,D2二极管换成MOS管,就是双向AC/DC了。只要改代码,拓扑都不用改,就可以逆向过来工作了。

下面是驱动,电压电流采样。还有一个最小控制系统,由OLED显示屏,用户按键组成。

开关频率设置在30K,因为是硬开关,它的损耗主要就是来自开关损耗,所以频率越低越好,但是不能太低,太低了电流就大了,被动器件的尺寸就大了,一般设置在30K左右,对MOS管是一个比较好的开关频率范围。

这个设计是非隔离的,最可靠,硬件成本也最低。硬开关相对软开关效率低,主要体现在开关损耗上,但是开关频率低嘛,整体损耗还是可以接受。软开关,一般都是在流行的LLC拓扑中:它带隔离,第一需要变压器,尺寸也就不会小,成本也会高;当前设计中驱动都是非隔离的,那还要改成隔离驱动芯片。所以取决于设计目标是怎样的?如果必须隔离,优先选择LLC,软开关的谐振拓扑。简而言之,在隔离的情况下,用软开关的效率就会比较高,用硬开关效率就会低。做硬开关,开关频率不能做太高,做太高,效率就低了,被开关损耗给浪费了。这是设计时,相互妥协的一个考量。

这个方案分为DCDC升压和DCAC逆变两级拓扑。全拓扑可以应用于户外电源逆变器,离网UPS逆变控制等。

RA6T2资源使用

  • Flash:~5K

  • RAM:~3K

  • OLED:I1C x1

  • LED:GPIO x1

  • 用户按键:GPIO x4

  • 电压电流温度监测:ADC x8

  • MOS管驱动:PWM x6

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RA6T2性能很强,但是这个方案用到的资源比较少。Flash,ram的使用都很省,因为是一个比较简单的控制算法和拓扑。

外设方面,用了8路ADC,采样电流,电压,温度。

用了6个PWM通道,驱动6个开关管。没有用到RA6T2里的高精度PWM通道,因为逆变器不需要太高精度的PWM,就算是DC输出时,也要看使用场景,比如服务器电源、电池化成,高精度PWM通道非常有帮助。一般的对电池充电,也是DC输出,精度要求一般就可以了。

环路控制方面,目前是电压环控制。当然也可以加电流环控制进去,加进去呢,动态响应会好一点:输出电流,输出负载切换时,响应会更快一点。

系统保护功能

  • 输入软启动

  • 输入欠压,输入过压保护

  • Boost输出过压保护

  • 逆变器欠压保护

  • 输出短路保护

  • 输出过流保护

  • 温度保护

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系统保护方面,支持软启动。比如输入电压太低,20V,30V刚起来,这个占空比要慢慢增加,电压慢慢抬升,不要一来就很高,会过冲。同时判断有没有过压,输入电压大于52V。更新占空比,更新boost两个管子的占空比。

达到标称电压40V时才启动,占空比也是缓慢上升,软启动时间大概0.6秒,一般电源就够了。包括户外储能,0.6秒对客户也无感。

其他保护,也主要为了保护硬件。Boost输出过压,比如突然卸载,重载突然卸轻载,电压可能会过冲,要保住400V时不要把MOS管打坏了。大于400V,关闭MOS管功能,小于350V,恢复工作。

母线太低,低于300V,就没有办法输出一个标准正弦波了,所以进入欠压保护。正常情况下,是不会低于300V的,只是为了防止异常,比如干扰,或者MOS管坏掉了。电流很大,电压很小的时候,判断短路事件。过流,逆变器功率1100W持续一分钟,就认为过流了。

测试评估板

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这个是该测试评估板的照片。如您感兴趣,可以点击公众号菜单栏“样片申请”获取瑞萨代理商/销售联系方式。

我们提供样机,并开放所有软硬件资料和文档,更多内容,您可点击以下链接进入免费下载页面:

http://www.x-ipm.com/applications-details/BGp8929N

测试演示

  • 测试电源:变频柜输出48V供给逆变板,输出功率在1KW以上;施加在电阻负载(可变电阻)上进行测试

  • 示波器:查看输入电源,输出电压(高压差分探头)、电流(电流钳)

  • 功率分析仪:查看效率,谐波含量

  • 电源输出:15V逐渐加到48V,板子开始运行

  • 示波器查看

● 通道1:电流输入48V DC

● 通道2:交流电压,峰峰值1295mV,经过高压差分探头换算得到220V;频率50Hz

● 通道3(紫色):输入48V DC

系统介绍视频

测试演示视频

测试演示

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来源:瑞萨MCU小百科

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围观 67

文章中讨论的其他器件:AM2634-Q1

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电动汽车 (EV) 牵引逆变器是电动汽车的核心。它将高压电池的直流电转换为多相(通常为三相)交流电以驱动牵引电机,并控制制动产生的能量再生。电动汽车电子产品正在从 400V 转向 800V 架构,这有望实现:

  • 快速充电 – 在相同的电流下提供双倍的功率。

  • 通过利用碳化硅 (SiC) 提高效率和功率密度。

  • 通过使用更细的电缆减少相同额定功率下 800V 电压所需的电流,从而减轻重量。

在牵引逆变器中,微控制器 (MCU) 是系统的大脑,通过模数转换器 (ADC) 进行电机控制、电压和电流采样,使用磁芯计算磁场定向控制 (FOC) 算法,并使用脉宽调制 (PWM) 信号驱动功率场效应晶体管 (FET)。对于 MCU,向 800V 牵引逆变器的转变对其带来了三个挑战:

  • 更低延迟的实时控制性能需求。

  • 增加了功能安全要求。

  • 需要快速响应系统故障。

在本文中,我们将讨论基于 Arm® Sitara™ AM2634-Q1 C2000 MCU 等器件如何应对这些挑战。

更低延迟的实时控制

为了控制牵引电机的扭矩和速度,MCU 使用外设(ADCPWM)和计算内核的组合来完成控制环路。随着转向 800V 系统,牵引逆变器也转向宽带隙半导体(例如 SiC),因为它们在 800V 时大大提高了效率和功率密度。为了实现 SiC 所需的更高开关频率,这种控制环路延迟成为优先事项。低延迟控制环路还使工程师能够以更高的转速运行电机,从而减小电机的尺寸和减轻重量。要了解并缩短控制环路延迟,您必须了解控制环路信号链及其各个阶段,如图 1 所示。

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1:控制环路信号链

为获得出色的实时控制性能,您必须优化整个信号链,包括硬件和软件。从 ADC 采样(来自电机的输入)到写入 PWM(输出以控制电机)所花费的时间是实时控制性能的基本衡量标准。从 ADC 采样开始,逆变器系统需要准确快速的采样,即实现高采样率、至少 12 位分辨率和低转换时间。一旦可进行采样,它需要通过互连传输到处理器并由处理器读取,并优化的总线和内存访问架构缩短延迟。在处理器中,内核需要使用 FOC 算法根据电机的相电流、速度和位置计算下一个 PWM 步骤。

为了更大限度地减少计算时间,内核需要较高的时钟速率并且必须高效地执行特定数量的指令。此外,内核需要执行一系列指令类型,包括浮点、三角和整数数学指令。最后,内核再次使用低延迟路径将更新后的占空比写入 PWM 发生器。在 PWM 输出上应用死区补偿将防止在切换高侧和低侧 FET 时发生短路,最好在硬件级别应用以减少软件开销。

TI MCU 的牵引逆变器控制环路延迟低至 2.5µsAM2634-Q1 的延迟小于 4µs。这种级别的控制环路延迟将面向包括 SiC 架构的未来设计,。

增加功能安全要求

由于牵引逆变器提供电力来控制电机,因此它们本质上是功能安全型关键系统。由于 800V 系统有可能提供更高的功率、扭矩、速度(或三者兼而有之),因此牵引系统需要功能安全达到汽车安全完整性等级 (ASIL) D 级要求。功能安全系统的一个关键部分是 MCU,因为它需要智能地做出安全响应系统故障的决策。因此,使用通过 ASIL D 认证的MCU是一个重要的安全元素。

为了让工程师更轻松地满足特定于牵引逆变器的系统安全要求,TI MCU 提供了额外的功能。例如,相电流反馈表示有关电机扭矩的信息,这使得这些信号对安全至关重要。因此,许多工程师更喜欢对相电流进行冗余采样,这意味着 MCU 必须具有多个独立的 ADC

快速响应系统故障

工程师面临的另一个挑战是在出现故障时能够快速将电机置于安全状态,例如续流。在 AM2634-Q1 器件中,故障通用输入(用于过流、过压或高速故障)会进入到创新的可编程实时单元 (PRU)。在 PRU 中执行的固件可以正确评估和响应故障类型并执行所需的 PWM 保护序列,如图 2 所示,然后根据需要直接将 PWM 置于安全状态。这些操作发生在短短 105ns 内。此外,由于固件是用户可进行编程的,因此工程师可以在必要时添加额外的自定义逻辑来满足他们的应用要求。

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2:流程图显示了基于故障输入的 PWM 输出的预期保护行为

随着越来越多电动汽车的生产,设计趋势将转向 SiC 800V 技术,同时需要提高电机控制性能并满足牵引逆变器的功能安全要求。随着世界朝着电气化方向发展,性能和效率方面的创新对于帮助汽车工程师设计下一代电动汽车至关重要。

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

围观 18

新能源建设进入发展快车道,逆变器市场需求放量

目前我国“新能源”发电和电网建设已进入发展快车道,以风电、光伏、水电、新型储能技术为代表的新能源电力体系将很快上升为产业主体。“十四五”期间,我国光伏、风电等新能源装机容量将快速提升,逆变器出货量将随之大幅增长。根据未来智库的分析报告,叠加光伏及储能两方面的需求,预计2025年全球逆变器新增市场规模可达969亿元,市场空间快速增长。

“基于N32G457的逆变器助力高效新能源应用"

由于交流电在高压传输时比直流电更为高效,应用场景也更加广泛,因此随着新能源产业的兴起,太阳能等产生的大量直流电源需要转变为交流电并入电网,或者由锂、氢等储能电池或电瓶输出的低压直流电需要转换为220V交流电以供交流设备使用。逆变器作为新能源电力系统中DC/AC转换关键设备,直接影响能源转换效率、系统运行稳定性和设备寿命,在整个供电系统中占有重要地位,多应用于光伏电站、新能源汽车、户外用电、应急电源等场景。

基于N32G457的逆变器应用案例

逆变器是基于电压逆变工作原理将DC转化为AC的一种特殊变压器,通常由逆变桥、控制逻辑和滤波电路等部分组成,而MCU作为逆变器主控制芯片,在控制逻辑电路中起到非常关键的作用。例如,通过MCU集成的先进模拟控制外设可实现更高的控制精度,在逆变器中实现更低的延迟、更低的总谐波失真(THD)和更高的输出电能质量;通过MCU集成功能还可缩减整个逆变控制电路尺寸和减少外围器件使用量,从而降低系统BOM成本。

国民技术在新能源应用领域持续发力,以增强工业级通用MCU芯片等高效产品和应用解决方案不断提升电力能源管理效率,为新能源产业发展添砖加瓦。推出的N32G457系列是一款具有高性能、高集成、高可靠等优势特点的通用MCU,在储能逆变器、充电桩、汽车BMS等产品上得到广泛应用。

“基于N32G457的逆变器助力高效新能源应用"

下图是基于N32G457系列通用MCU实现的一个车载逆变器应用方案结构框图。该逆变器将车载电瓶的12VDC转换为220V纯正弦波AC供负载设备使用,输出功率可达1200W。该车载逆变器具有启动速度快、转换效率高,带负载适应性与稳定性强的特点,产品具备短路、过载、过/欠电压、超温等保护功能,安全性能好。

“基于N32G457的逆变器助力高效新能源应用"

N32G457系列MCU在逆变器应用中的优势特性:

■ 32位高性能ARM Cortex-M4F内核,运行主频高达144MHz,144KB的SRAM可实现逆变器高效控制算法计算和处理。

■ 内置高性能模拟接口,4个12bit 5Msps高速ADC支持差分模式,4个轨到轨运算放大器等,满足电流电压采样和检测的高速A/D转换需要。

■ 通讯接口丰富,芯片配置了7个串口,3个SPI接口,4个I2C接口,2个CAN总线接口等,丰富的主通讯接口能够适应与数码管显示屏等各种不同设备的通信要求。

■ 高精度的定时器资源,包含2个高级定时器,每个定时器有4个独立的通道,其中3个通道支持6路互补PWM输出,最高控制精度6.9nS,提供逆变器驱动电路需要的控制精度。

■ 高可靠性,芯片-40℃至105℃的工作温度,在户外各种恶劣天气条件下长期稳定工作。

■ 内置密码算法硬件加速引擎,实现硬件级安全,保护用户核心知识产权。

国民技术具有工业控制核心器件的全面支撑能力,凭借在产品技术创新、品质管控、稳定供货与本土化服务等方面的领先优势,在工业领域以优质MCU产品及解决方案助力合作伙伴实现更多创新应用并取得了优异成绩,N32系列32位工业增强级MCU等产品已在数字能源、工业电器、工业机器人、工业打印机商显、智能楼宇、交通等方面获得行业标杆客户批量应用。目前,国民技术正在与更多工业领域伙伴携手,进一步扩大合作伙伴生态圈,赋能我国工业数字化转型与升级发展。

来源:Nations加油站
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围观 78

国际能源署的数据显示,到 2030 年,太阳能光伏 (PV) 装置的装机容量有望达到 3,300 TWh,与 2019 年的水平相比,年增率为 15%[1],这意味着能源供应的比例在不断上升。光伏装置的安装是将微型、迷你和电力公司规模的混合,但无论哪种情况都采用类似的 PV 技术,电池串联可获得较高的可用电压,并联可获得更高的功率。一个趋势是增加面板串的电压,以获得相应的低电流的优势,在连接和布线中产生较少的功率损失。典型的标称面板安装电压约为 500 V 至 1000 V,但预计未来 1500 V 会更常见[2]

“涨知识!IGBT和SiC

为实现可扩展性、经济性和容错性,每个板串通常都各自配备功率相对较低的逆变器,而不是使用单个中央逆变器。设备内部的 PV 电压通常会提升至适合输入到 DC-AC 转换级的稳压直流值,最大功率点追踪 (MPPT) 控制器可优化面板上的负载,以实现最佳的能量利用。升压式 DC-DC 转换器和逆变器是高效的开关电路,其使用各种技术的半导体。

PV电源转换半导体选项

过去,绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)在大功率 DC-DC 和 AC-DC 转换领域一直占主导地位,而新型宽禁带 (WBG) 半导体(如碳化硅 (SiC) MOSFET)现已问世,其额定功率高达数十千瓦,在并联时甚至更高。这两种技术不仅可以作为通用封装(如 TO-247)中的单个设备使用,还可以作为功率集成模块 (PIM) 使用。

PIM 在工业标准外壳中集成了多个开关,有时还带有二极管,甚至驱动器和保护电路。这可以为单一封装中的转换器和逆变器功能提供完整的功率级。

IGBT 和 SiC MOSFET 在几个方面明显不同;由于动态损耗,IGBT 只能用于低频,但在导电时会降低标称恒定饱和电压,从而导致与电流成正比的功率损耗。

相比之下,SiC MOSFET 可在数百 kHz 频率下切换,且动态损耗较低,但在导电时会出现标称恒定电阻,从而导致与电流平方值成正比的功率损耗,随着功率吞吐量的增加,其劣势就越明显。

图 1 显示,在其他类似的条件下,50 A 额定 IGBT PIM 和 38 A SiC PIM 的电压下降与传导损耗成正比,在大约 25 A 时,可实现最佳效率交叉点。该图标适用于结温为 125℃(典型值)的应用。

“图1:125℃
图1:125℃ 条件下,IGBT 和 SiC MOSFET PIM 的压降比较

动态损耗取决于频率,如果在相同低频(如 16 kHz)下,大约 20 A 至 30 A 开关电流下比较图 1 中的 IGBT 和 SiC MOSFET,两者的传导损耗相似,但动态损耗截然不同。图 2 显示的是两种开关损耗电源,分别为开和关能源(Eon 和 Eoff)。

同样,这里也有一个交叉点,但 Eon 相似,两种设备类型的传导损耗大约为 25%,IGBT 略差,但无论如何,绝对值不是很大。然而,由于存在“尾”电流,IGBT 的 Eoff 明显更高,少数载流子必须在关断时从器件 N 漂移区清除,这会出现集电极电压升高,从而产生瞬态功率损耗。图 2 显示两种设备的 Eoff 大约相差 10 倍。

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图 2:16 kHz 下,IGBT 和 SiC MOSFET 的动态损耗比较示例

表 1 总结了在 16 kHz 和 95℃ 温度条件下,实际 PV 升压转换器(输入为 500 V,25 A 以及输出为 800 V DC 时)的差异。SiC 的整体功耗明显降低,总损耗仅为 IGBT 电路的三分之一左右,且结温更低,可靠性更高。

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表1:升压转换器在 16 kHz 条件下的损耗分解

SiC MOSFET在更高频率条件下表现更为出色

除了节能外,利用 SiC 提高效率的好处可以视为减小尺寸,降低散热成本,同样的散热性能时温升更低,或者,同样的散热性能和温升时功率吞吐量更高。这些都是有价值的增益,但值得研究的是,如果利用 SiC 的高频能力会发生什么。将 SiC MOSFET(40 kHz 频率下)与 IGBT(16 kHz 频率下)进行比较,可得到表 2 中的数字。

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表2:IGBT(16 kHz 条件下)和 SiC MOSFET(40 kHz 条件下)的损耗比较

SiC 器件拥有更高的结温,但作为 WBG 器件,其额定工作温度通常比硅高 25°C。SiC MOSFET 的结果仍表明其效率明显高于 IGBT,损耗只有 IGBT 的一半多,优势旗鼓相当。

不过,频率的增加也使升压电感值和体积减少大约三倍,从而降低了成本,减小了体积和重量。此外,在基频和低谐波下,EMI 滤波可以更小,从而实现进一步的节省。SiC MOSFET 确实有非常快的边缘速率,但必须仔细考虑高频滤波,以满足排放标准。

损耗并不是 IGBT 和 SiC MOSFET 之间的唯一差异。例如,MOSFET 中有一个体二极管,而 IGBT 中却没有。这对于开关中需要反向或“第三象限”传导的转换级非常有用。虽然 SiC MOSFET 体二极管的正向压降相对较高,但可以用于此。当以这种方式使用 IGBT 时,必须增加一个额外的并联二极管。

因此,我们可以找到一个平衡点,即在更高频率下使用 SiC 会使系统获得大量好处,远远超过两种技术之间 PIM 单位成本的差异。随着新一代器件的推出,SiC MOSFET 的导通电阻下降,越来越多应用的利益交叉点增加到更高的功率等级。

SiC需要精心设计以利用其功能

IGBT 和 SiC MOSFET 的栅极驱动名义上看似相似,但 SiC 器件的片上驱动对于实现最低传导损耗更为重要,且必须尽可能接近实际的绝对最大值,通常为 25 V。为此,通常采用 20 V,以提供一定的安全裕度。

两种设备类型名义上都通过 0 V 栅极驱动关闭,但两者通常都由几伏特的负电压驱动。这样可实现更小的 Eoff、更少的关断时栅源振铃,并有助于防止“幻像开启”,其原因可能是与栅极驱动环路共用的任何源极或发射极电感的尖峰。

任何设备的“米勒”电容也可能会在漏极或集电极电压边缘率较高的情况下伪装开启设备。同样,负栅极驱动有助于避免问题。图 3 说明了效果。

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图3:共源极电感和米勒电容可防止器件关断

耦的高频布局技术,以避免不可靠的运行和过度的 EMI。驱动器必须靠近 SiC MOSFET PIM,任何至 MOSFET 源极的可用“开尔文”连接应用作为驱动器回路导线,以避免共模电感。

由于边缘速率非常快,准确测量 SiC MOSFET PIM 的动态性能可能较困难,所以通常设备应使用 300 MHz 带宽和高频测量技术。电压探针应与最小的接地回路连接,并通过高性能传感器(如 Rogowski 线圈)监测电流。

总结

开关从 IGBT 向 SiC MOSFET 转换可在更高功率级上实现纯系统优势,同时 PIM 可提供一个简单的解决方案。然而,熟悉使用 IGBT 的人应该知道,简单的换出无法实现好的结果,需要重新评估栅极驱动的安排、布局和 EMI 滤波,才能实现最佳性能。

References

[1] https://www.iea.org/reports/solar-pv

[2] https://www.solarpowerworldonline.com/2018/11/high-voltage-solar-systems...

来源:安森美
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