إن العاكس للجر في السيارة الكهربائية هو ما يشكل الواجهة بين نظام البطارية ومحرك دفع الطاقة. يتحكم برنامج تشغيل البوابة في تبديل أجهزة الطاقة عالية الجهد (HV) ، عادةً إما السيليكون IGBTs أو SiC MOSFETs.
في هذه المقالة ، سنراجع جزءًا جديدًا لبرنامج تشغيل البوابة ، UCC5880-Q1 ، قدمته شركة Texas Instruments في مؤتمر PCIM 2023. يعمل محرك البوابة المتغير في الوقت الفعلي على زيادة كفاءة عاكس الجر للمركبات الكهربائية مع توفير وظائف السلامة والمراقبة والحماية اللازمة لهذا التطبيق.
متطلبات سائق بوابة جهاز الطاقة
يوضح الشكل 1 مخطط كتلة مبسطًا لعاكس جر EV. يمثل المربع الأحمر في هذا الشكل محرك البوابة ومرحلة الطاقة المرتبطة بها. تتضمن بعض الوظائف الرئيسية لبرنامج تشغيل البوابة في هذا التطبيق ما يلي:
- توفير العزلة. على الجانب HV ، من المحتمل أن يقود سائق البوابة أجهزة SiC المشار إليها بجهد ناقل 800-V DC. من ناحية أخرى ، يمكن أن يكون جانب الجهد المنخفض (LV) الذي يتم دفعه بواسطة وحدة التحكم PWM عند مستوى المنطق 5-V (انظر الشكل 2).
ومن ثم ، تحتاج شريحة السائق إلى عزل هذين المجالين ، مما يضمن عدم تأثر دارة الجهد المنخفض بالجهد العالي وخلق السلامة للأفراد الذين يمكنهم ، على سبيل المثال ، خدمة أو تشخيص شريحة وحدة التحكم التي تقود إشارات PWM. يمكن أن تخلق عابرات الجهد أثناء التبديل تيارات عالية في الحلقة الأرضية ، ويمكن أن يكون الفصل المناسب للحلقات الأرضية أمرًا بالغ الأهمية لتجنب اختلافات الجهد الأرضي في مجال الجهد المنخفض من التبديل HV. لذلك فإن المناعة ضد الضوضاء هي جانب أساسي من جوانب العزلة. توجد العديد من معايير الصناعة لتحديد مواصفات العزل ، بما في ذلك:
- DIN VDE 0884-11 المتعلق بالعزل المقوى. يساعد هذا في تحديد المواصفات مثل أقصى جهد عزل عابر (VIOTM) ، الحد الأقصى لجهد العمل (VIORM) والجهد الأقصى لعزل الطفرة (VIOSM). على سبيل المثال ، في تطبيق العاكس 800-V EV ، يحتاج الحد الأقصى لجهد العمل المستمر إلى وجود هامش كافٍ أعلى من مستوى 800-V ، مع تصنيفات الذروة (العابرة) المطلوبة والتي تكون عدة أضعاف هذه القيمة. تم التخطيط لجزء UCC5880-Q1 لـ V.IOTM و V.IOSM شهادة 7070 فولت.
- يحدد UL 1577 جهد العزل الصامد (VIOS) وكذلك سعة الحاجز (CIO). تم تخطيط UCC5880-Q1 للحصول على شهادة عزل RMS 5 كيلو فولت. يحدد DIN EN IEC 60112 فهرس التتبع المقارن للمواد العازلة. هذا ، جنبًا إلى جنب مع كتيب الحزمة ومواصفات التخليص ، يساعد في ضمان خصائص عزل قوية للحزمة.
- تحدد المواصفة القياسية الدولية IEC 60747-17 منهجيات اختبار الوضع المشترك للمناعة العابرة (CMTI). يحدد CMTI الحد الأقصى لمعدل ارتفاع أو انخفاض جهد الوضع المشترك المطبق بين دائرتين ، والتي في حالة محركات البوابة المعزولة ستكون الجانبين LV و HV. تسمح أجهزة الطاقة المصنوعة من SiC أو GaN بترددات تحويل أسرع ومعدلات كبيرة مقارنة بنظيراتها من السيليكون. يمكن أن يقلل هذا من خسائر التبديل ويقلل من حجم المغناطيسات ولكن يمكن أن يجعل الدائرة أكثر عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي. تم تصنيف جزء UCC5880-Q1 لحد أدنى من CMTI يبلغ 100 كيلو فولت / أمريكي.
- السلامة الوظيفية والمراقبة. يوفر سائق البوابة وظائف المراقبة في الوقت الحقيقي لجهاز الطاقة. هذا يضمن التشغيل الآمن والموثوق ويمكن أن يساعد في منع حدوث عطل كارثي داخل وحدة الطاقة. يمكن أن يساعد ذلك في تصميم النظام العام في تحقيق مواصفات الجودة ISO 26262 و ASIL-D. تتضمن بعض هذه الميزات ما يلي:
- قفل الجهد المنخفض (UVLO) وقفل الجهد الزائد (OVLO). يمكن أن تكون مراقبة UVLO أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة لوحدات MOSFET للطاقة المصنوعة من SiC ، حيث يمكن أن يؤدي الانخفاض في جهد البوابة إلى خسائر وتسخين أعلى. يمكن أن تؤثر ظروف OVLO على موثوقية أكسيد البوابة. يتحقق UCC5880-Q1 من UVLO و OVLO على كل من الإمداد الداخلي والخارجي. يمكن أن تتسبب ظروف الدائرة القصيرة أو التيار الزائد بسبب أخطاء في الحمل في دخول جهاز الطاقة إلى جهد تصريف عالي ووضع التيار ، مما يؤدي إلى التسخين وربما فشل ذريع. يكتشف دبوس إزالة التشبع (أو desat) والدائرة الخارجية المصاحبة وجود خطأ عندما يكتشف V.DS/الخامسم من جهاز الطاقة يتجاوز عتبة SPI القابلة للبرمجة أثناء تشغيل الطاقة FET. يتميز UCC5880-Q1 بكل من الحماية ضد التيار الزائد والقائمة على مقاومة التحويل لجهاز الطاقة ، مع وقت استجابة سريع لحدث التيار الزائد. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مستشعر درجة حرارة خارجية ذات معامل درجة حرارة سالبة لتنبيه المضيف إلى ظروف درجة الحرارة الزائدة. بسبب طفرات الجهد الناتجة عن التحولات العالية للدي / dt من المحاثات الطفيلية. يؤدي إبطاء الثنائيات / الوزن الثقيل ، خاصة في ظل ظروف الأعطال ، إلى تحسين موثوقية النظام. يتميز UCC5880-Q1 بإعدادات STO و 2LTOFF قابلة للبرمجة.
- يمكن استخدام ADC مدمج 10 بت على UCC5880-Q1 لمراقبة العديد من ميزات النظام الأخرى ، مثل جهد وصلة DC والجهد العتبة لجهاز الطاقة.
- تحسين كفاءة النظام. لقد ثبت أن استبدال السيليكون IGBTs بأجهزة طاقة SiC يحسن كفاءة عاكس الجر بنسبة تصل إلى 10٪. تعد الحاجة إلى تحسين نطاق القيادة وتقليل أوقات الشحن حافزًا لمزيد من التحسينات في الكفاءة. عادةً ما يتم استبدال خسائر التبديل مع التجاوزات المسموح بها في الجهد والتيار أثناء انتقالات التشغيل والإيقاف. على سبيل المثال ، سيؤدي وجود مقاومة بوابة أعلى عند الإدخال إلى SiC MOSFET إلى إبطاء التحولات والتجاوزات ولكن على حساب خسائر تحويل أكبر. دعنا نفكر في منحنى حالة الشحن النموذجي (SoC) تحت الحمل لحزمة بطارية Li-ion مباشرة بعد دورة الشحن. كما هو موضح في الشكل 3 ، يكون هامش التجاوز أقل بالنسبة لبطارية مشحونة بالكامل مقارنة بحالتها أثناء حالة الثبات أو التفريغ الجزئي.
يحتوي الجزء UCC5880-Q1 على ميزة محرك البوابة المتغيرة ، مما يسمح لوحدة التحكم بتحديد محرك بوابة 5-A أو 15-A أو 20-A ، من خلال مجموعة من محركات 5-A و 15-A المنفصلة على الجزء ، كما هو مبين في الشكل 4. يتم تلخيص OUTH (التشغيل) و OUTL (إيقاف التشغيل) للمحركين ، كما هو موضح في الشكل 2 ، مع تشغيل تحكم المستخدم ، مما يتيح لأي منهما.
يمنع المحرك المنخفض في ظل ظروف الجهد العالي للبطارية التجاوزات ، بينما يمكن استخدام محرك أعلى خلال بقية دورة التحميل ، مما يتيح خسائر تحويل أقل.
لقد ثبت أن التبديل من دورة إلى أخرى لظروف محرك البوابة استنادًا إلى جهد العاكس ومستويات التيار يؤدي إلى تحسينات كبيرة في الكفاءة في ظروف العالم الحقيقي. تُظهر اختبارات التحويل ثنائية النبض-الاختبار بواسطة TI عند 800 V / 540 A المفاضلة بين فقد التبديل ومعدلات التجاوز / الانقطاع أثناء كل من عابري التشغيل والإيقاف. يوضح الشكل 5 هذا عند نقاط قوة دفع البوابة البالغة 20 A و 15 A و 5 A في الأعمدة من اليسار إلى اليمين. إن نمذجة ميزة محرك البوابة المتغيرة هذه مع إجراء اختبار المركبات الخفيفة المنسق عالميًا في ظل سرعات حقيقية لسجل القيادة وإعدادات التسارع تتنبأ بمكاسب كفاءة مرحلة طاقة SiC تصل إلى 2٪ ، وهو ما يقابل سبعة أميال إضافية من النطاق لكل متوسط شحن بطارية. بالنسبة لمستخدم EV الذي يشحن سيارته 3 × أسبوعيًا ، فقد يعني ذلك أكثر من 1،000 ميل من الأميال الإضافية في السنة.
يوفر برنامج تشغيل البوابة UCC5880-Q1 قابلية برمجة SPI وميزات مراقبة وحماية متكاملة ويمكنه تحسين كفاءة عاكس جر EV بنسبة تصل إلى 2 ٪ مع ميزة محرك البوابة المتغير.
قال مات رومينج ، مدير المنتج لمنتجات سائق البوابة المعزولة في TI: “إن محرك البوابة يشبه شمعة الإشعال لعاكس الجر ولكنه أكثر ذكاءً وأكثر قابلية للتكوين”. “يمكن تعديل قوة محرك UCC5880-Q1 بناءً على جهد العاكس في الوقت الفعلي والظروف الحالية لتحسين كفاءة العاكس دون التضحية بالموثوقية والحفاظ على نافذة تشغيل آمنة. ويؤدي ذلك إلى تحسينات كبيرة في الكفاءة ، والتي تُترجم إلى زيادة نطاق قيادة المركبات الكهربائية “.
اكتشاف المزيد من مجلة الإخلاص
اشترك للحصول على أحدث التدوينات المرسلة إلى بريدك الإلكتروني.
