Zwiększenie gęstości mocy i niezawodności w motoryzacji dzięki topologii LLC

Układy zasilania w motoryzacji muszą spełniać standardy ASIL (Automotive Safety Integrity Levels) zdefiniowane przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną 26262, a także specyfikacje obejmujące takie zmienne jak współczynnik kształtu i wydajność. Tradycyjnie, projektanci stosowali proste analogowe sterowniki z modulacją szerokości impulsu (pulse-width modulation, PWM) skonfigurowane w topologii półmostka. Jednak w przypadku systemów wymagających zaawansowanych zabezpieczeń lub wyższej wydajności, sterowniki PWM mogą być niewystarczające. Najnowsze pojazdy hybrydowe i elektryczne (EV) wymagają wyższej gęstości mocy, wyższej wydajności przy niskim obciążeniu i większej niezawodności. Skłania to projektantów do poszukiwania nowatorskich architektur układów napędowych, takich jak moduły pomocnicze, redundantne, rozproszone i strefowe. Projektanci lekkich pojazdów elektrycznych (LEV) potrzebują produktów, które zapewniają wysoką gęstość mocy bez poświęcania kosztów i niezawodności.

W porównaniu z przetwornicą półmostkową opartą na sterowniku PWM, dzięki naturalnemu rezonansowi i przełączaniu zerowego napięcia (ZVS), topologia cewka-cewka-kondensator (inductor-inductor-capacitor, LLC) może zapewnić lepszą wydajność i kompatybilność elektromagnetyczną (EMC). Jednak pomimo korzyści, jakie oferuje topologia LLC – w tym minimalne zużycie energii w trybie czuwania i niski poziom hałasu – producenci pojazdów elektrycznych obawiali się jej stosowania ze względu na ograniczony zakres napięcia wejściowego. Przetwornice DC/DC w pojazdach wymagają szerokiego zakresu napięcia wejściowego i wyjściowego lub obu tych parametrów, aby utrzymać wydajność podczas rozruchu na zimno, stanów przejściowych lub zderzeń.

Innowacje technologiczne w kontrolerach LLC, takie jak UCC25661(Q1), umożliwiają nowe zastosowania topologii LLC w zastosowaniach motoryzacyjnych i urządzeniach ładowania EV. W pojazdach elektrycznych topologia LLC może być stosowana w przypadku zasilaczy redundantnych, pomocniczych, modułów strefowych lub zasilania z wyłączonym zapłonem. Z kolei w lekkich pojazdach elektrycznych (LEV) topologia LLC może być stosowana w przypadku wbudowanej przetwornicy DC/DC lub zewnętrznej ładowarki/adaptera. W każdym z tych przypadków wysoka sprawność i minimalny rozmiar są niezbędne do maksymalizacji zasięgu pojazdu i oszczędności kosztów, zwłaszcza w przypadku wielu przetwornic LLC rozmieszczonych w całym pojeździe, jak pokazano na rysunku 1.

Rysunek 1. Architektura strefowa. Żródło: Enabling automotive designers to increase power-density and reliability with LLC topology Autor: Andrew Plummer © Texas Instruments

Wyższa gęstość mocy w systemach motoryzacyjnych z wykorzystaniem topologii LLC.

O rozmiarze i masie izolowanego źródła zasilania, zazwyczaj decydują elementy magnetyczne. Ich rozmiar jest odwrotnie proporcjonalny do częstotliwości przełączania, ponieważ mniej energii musi być magazynowane lub dostarczane w każdym cyklu przełączania przy stałej mocy wyjściowej. Częstotliwość rezonansowa 750 kHz w sterowniku LLC UCC25661-Q1 może pomóc zmniejszyć zarówno rozmiar, jak i masę elementów magnetycznych, co pomaga obniżyć koszty i poprawić niezawodność. Rozmieszczenie wielu przetwornic LLC w całym pojeździe zwielokrotnia korzyści płynące z zastosowania mniejszych i lżejszych elementów magnetycznych. Kontrolery PWM mogą obsługiwać pracę w wysokiej częstotliwości, ale ich przełączanie twarde oznacza, że ​​spełnienie limitów EMI, takich jak te określone przez Międzynarodowy Komitet Specjalnych Zakłóceń Radioelektrycznych (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques, CISPR) 25, może być trudne bez dużego filtra EMI. Kontrolery LLC charakteryzują się z natury przełączaniem miękkim, ponieważ posiadają obwód rezonansowy w stopniu mocy. Dlatego topologia LLC generuje mniej przewodzonego EMI i strat przełączania niż topologia półmostka z przełączaniem twardym. Rysunek 2 ilustruje różnicę między przełączaniem twardym a przełączaniem miękkim (ZVS).

Rysunek 2. Przykładowy przebieg przełączania dla półmostkowego kontrolera PWM w porównaniu z kontrolerem LLC Żródło: Enabling automotive designers to increase power-density and reliability with LLC topology Autor: Andrew Plummer © Texas Instruments

Nowe aplikacje dzięki IPPC

Kontroler LLC UCC25661-Q1 firmy TI zawiera proporcjonalną kontrolę mocy wejściowej (input power proportional control, IPPC), która obsługuje szerokie spektrum napięcia wyjściowego, służąc np. do ładowania akumulatorów, czy obsługując systemy DC/DC w pojazdach elektrycznych. Aby zmaksymalizować zasięg, pojazdy LEV migrują obecnie z akumulatorów o niższym napięciu (od 12 V do 36 V) do wyższych napięć, takich jak 48 V, a nawet powyżej 96 V. Szeroki zakres obsługi napięcia wyjściowego umożliwia inżynierom projektowanie przetwornic LLC, które unikają przechodzenia w tryb burst, gdy napięcie akumulatora jest niskie, chroniąc żywotność akumulatora. IPPC skraca również czas rozwoju podczas dostrajania stabilności działania w trybie burst. IPPC w UCC25661-Q1 przezwycięża tradycyjne ograniczenia praw sterowania LLC, znacznie zmniejszając częstotliwość przełączania używaną przez kontroler do dostarczania mocy. Ta zmiana pozwala inżynierom uniknąć niepożądanego zabezpieczenia przed przeciążeniem w zastosowaniach akumulatorowych, zarówno w pojeździe, jak i poza nim. IPPC pomaga również wydajniej dostarczać energię, gdy korekcja współczynnika mocy jest wyłączona, bez wyzwalania limitu mocy przeciążeniowej. Tryb impulsu mieszanego nie tylko minimalizuje słyszalny hałas, ale także poprawia wydajność przy słabym obciążeniu lub zupełnie bez obciążenia, co jest ważne, aby zapobiec rozładowaniu akumulatora. UCC25661-Q1 jest wyposażony w zaawansowane funkcje zabezpieczające, takie jak rozruch z wstępną polaryzacją, łagodny start i unikanie obszaru pojemnościowego, które umożliwiają wysoce niezawodną konstrukcję zasilacza.

Samoadaptacyjna funkcja łagodnego startu UCC25661-Q1 stabilizuje i powoli zwiększa napięcie zasilania, umożliwiając pełne naładowanie kondensatora podłączonego do pinu VDD przed uruchomieniem i chroniąc zasilacz przed nadmiernym prądem udarowym. W zależności od stanu obciążenia, przetwornice mocy wykorzystujące kontrolery LLC mogą pracować w obszarze pojemnościowym lub rezonansowym. Praca w obszarze pojemnościowym może spowodować katastrofalne uszkodzenie stopnia mocy. Podczas gdy większość kontrolerów LLC może przestać działać po wykryciu działania obszaru pojemnościowego, UCC25661-Q1 posiada funkcję unikania obszaru pojemnościowego, która przerywa działanie sterownika bramki, zapobiegając uszkodzeniom.

Żródło: Enabling automotive designers to increase power-density and reliability with LLC topology Autor: Andrew Plummer © Texas Instruments 

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!