通過分布式供電簡(jiǎn)化汽車動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一般而言，汽車動(dòng)力系統(tǒng)采用集中供電的方式，通過多通道變壓器將電池中的12 V的直流電進(jìn)行轉(zhuǎn)化，以為6個(gè)隔離式柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路供電(圖1)。

圖1 集中式電力供應(yīng)模塊示意圖

設(shè)計(jì)者在集中式變壓器模型方面面臨著許多挑戰(zhàn)，包括布局過于復(fù)雜和產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。此外，由于需要更多層來隔離信號(hào)/電源線，還會(huì)面臨電路板占用空間較大和印刷電路板(PCB)成本較高等問題。

然而，有了博通有限公司推出的配備有集成反激式控制器的汽車級(jí)智能柵極驅(qū)動(dòng)，例如ACPL-32JT和ACPL-33JT，通過一些獨(dú)立的組件，以及一些放置在IC旁邊的小型高效變壓器就可以輕易搭建一個(gè)分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)(圖2)。這可以減少總的占用空間，并可將絕緣柵雙極晶體管(IGBT)通道之間電磁干擾(EMI)和噪聲耦合降低到最低。

圖2 分布式電力供應(yīng)模塊示意圖

設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單

由于采用分布式電力供應(yīng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)人員在規(guī)劃線路布局的時(shí)候更具有靈活性;低電壓平面(low voltage plane)和高電壓平面(high voltage plane)可以輕易地區(qū)分開來。此外，整個(gè)印刷電路板( PCB)布線變得更易于管理和更為便利。

圖3 采用集中電力供應(yīng)設(shè)計(jì)的6通道IGBT柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器板

圖4 采用配有ACPL-32JT的分布式電力供應(yīng)設(shè)計(jì)的6聲道IGBT柵極驅(qū)動(dòng)板

圖3和4比較了基于集中式電力供應(yīng)和基于分布式電力供應(yīng)的的六通道IGBT柵極驅(qū)動(dòng)板。很明顯，分布式電力供應(yīng)架構(gòu)的印刷電路板布局更為簡(jiǎn)單，布線也更為有效。在低電壓和高電壓回路之間并沒有PCB 走線(PCB trace)和電平(power plane)，從而提高了信號(hào)的完整性，并避免對(duì)信號(hào)線造成不利的噪音干擾。

魯棒性

分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)采用的變壓器體積要比集中式變壓器體積小14倍。圖5顯示了位于集中式變壓器與單個(gè)變壓器的大小比較。表1則列出了集中式變壓器和單個(gè)變壓器的實(shí)際尺寸大小。

圖5 單個(gè)變壓器與集中式變壓器的大小比較

表1 單個(gè)變壓器與集中式變壓器的大小比較

與體積更為笨重、更為高大、且容易受到機(jī)械振動(dòng)影響的集中變壓器相比，為每個(gè)驅(qū)動(dòng)配備的單個(gè)變壓器可以提高可靠性和魯棒性。集中式供電架構(gòu)使用的電力供應(yīng)電容器尺寸更大，封裝在一個(gè)圓筒的 CAN 包里(in a radial CAN package)，非常醒目K且占據(jù)空g。為此，設(shè)計(jì)師可為分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)選擇尺寸更小的表面貼裝器件封裝(SMD package)電容器。這些電容器所需的額定電壓要比傳統(tǒng)的集中式電力供應(yīng)回路至少低10V~20V。

節(jié)省成本

除了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單和擁有較好的魯棒性之外，選擇分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)的另一個(gè)好處就是可以通過整個(gè)電路板尺寸和印刷電路板分層的最小化來節(jié)省成本。分布式的驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)和單個(gè)的變壓器可讓它們緊密地放置在一起，從而節(jié)省寶貴的電路板空間。圖6展示的是一個(gè)精心設(shè)計(jì)的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器電路(頂部和底部通道)，放置在一個(gè)39.7mm(寬) X 52mm(長(zhǎng))的區(qū)域，不到標(biāo)準(zhǔn)名片一半大小。在這種情況下，一個(gè)六通道柵極驅(qū)動(dòng)電路需要的PCB面積只相當(dāng)于1.5張標(biāo)準(zhǔn)名片的大小。

圖6 半橋柵極驅(qū)動(dòng)電路板可以按照半張標(biāo)準(zhǔn)名片的大小進(jìn)行緊湊設(shè)計(jì)

分布式系統(tǒng)也有助于減少印刷電路板的層數(shù)，因?yàn)榈碗妷壕€路/平面(low voltage traces/planes)和高電壓線路/平面(high voltage traces/planes)之間并沒有交叉。這就不需要為傳導(dǎo)交叉信號(hào)而添加額外的層。圖7顯示了專為 Fuji M651 IGBT設(shè)計(jì)的緊湊型6通道柵極驅(qū)動(dòng)板，使用了配備有ACPL-32JT的僅有四層的印刷電路板。

圖7 采用分布式電力供應(yīng)設(shè)計(jì)且僅使用了四層PCB的緊湊型六通道柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器

更好的EMI性能

在一個(gè)集中式電力系統(tǒng)當(dāng)中，一個(gè)大型六通道變壓器通常要比單個(gè)的小型變壓器發(fā)出更多的 EMI 噪聲。在分布式電源供應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)中，每個(gè)智能柵極驅(qū)動(dòng)光耦合器接通過一體化的DC / DC控制器驅(qū)動(dòng)單個(gè)變壓器，以為側(cè)端供電驅(qū)動(dòng)IGBT。

以下測(cè)量結(jié)果表明：和小型的單個(gè)變壓器相比，集中式6通道變壓器(圖8)的 EMI噪音要高很多(圖9)。

圖8 集中式六通道變壓器中的EMI測(cè)量

圖9 單個(gè)小型變壓器中的EMI測(cè)量

結(jié)論

和使用傳統(tǒng)集中式電力供應(yīng)架構(gòu)的柵級(jí)驅(qū)動(dòng)電路板相比，分布式電力供應(yīng)系統(tǒng)可以簡(jiǎn)化汽車多通道IGBT柵極驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，提高魯棒性和EMI性能，并降低組件成本。