LLC-Topologie
Höhere Leistungsdichte und Zuverlässigkeit
Der LLC-Controller UCC25661-Q1 ermöglicht kompakte, effiziente und zuverlässige Stromversorgungen für moderne Elektro- und Leichtfahrzeuge. Mit IPPC-Technologie, Soft-Start und kapazitiver Bereichsvermeidung steigert er Leistungsdichte, Reichweite und Sicherheit in automobilen Systemen.
Beim Design von Stromversorgungen für Automotive-Systeme müssen Topologien und Controller gewählt werden, die nicht nur die Vorgaben in Bezug auf Platzbedarf und Wirkungsgrad erfüllen, sondern auch die jeweils geforderten ASIL-Anforderungen (Automotive Safety Integrity Levels) der ISO-Norm 26262 erfüllen. In der Vergangenheit setzten Designer auf einfache PWM-Controller (Pulsweiten-Modulation) in Halbbrücken-Konfigurationen, die jedoch unter Umständen nicht mehr ausreichend sind, wenn Systeme nach anspruchsvolleren Schutzfunktionen oder höheren Wirkungsgraden verlangen.
Die neuesten Hybrid- oder Elektrofahrzeuge (EVs) erfordern eine höhere Leistungsdichte, bessere Performance bei geringer Last und höhere Zuverlässigkeit, um die Reichweite und die Sicherheit zu maximieren. Für die Designer ist dies der Anlass, sich mit neuen Architekturen für Antriebsstrang-Systeme auseinanderzusetzen, so zum Beispiel mit unterstützenden, redundanten oder verteilten Systemen und Zonenmodulen. Um Emissionen zu reduzieren, investieren Hersteller von Motorrädern, Golfcarts, Gabelstaplern und sogar Rasenmähern in Akkusätze mit höheren Spannungen, elektrifizierte Modelle und die Ladeinfrastruktur. Insgesamt benötigen Designer von leichten Elektrofahrzeugen (Light Electric Vehicles, LEVs) benötigen Produkte, die eine hohe Leistungsdichte bieten, ohne Abstriche bei Kosten oder Zuverlässigkeit einzugehen.
Die LLC-Topologie (Induktivität-Induktivität-Kapazität) kann eine Verbesserung des Wirkungsgrads und der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bieten, da sie gegenüber einem PWM-basierten Halbbrücken-Wandler prinzipbedingt im Resonanzbetrieb arbeitet und im Spannungs-Nulldurchgang schaltet (ZVS: Zero Voltage Switching). Ungeachtet der Vorteile der LLC-Topologie, zu denen minimale Standby-Leistungsaufnahme und geringe Geräuschentwicklung gehören, waren EV-Hersteller bisher zögerlich, die LLC-Topologie einzusetzen, weil ihr Eingangsspannungsbereich gering ist. Gleichspannungswandler für Automotive-Anwendungen müssen jedoch große Ein- und/oder Ausgangsspannungsbereiche unterstützen, um auch mit Kaltstart-Situationen, Spannungsspitzen oder crashbedingten Ereignissen den Bedingungen bei Unfällen zurechtzukommen.
Technologische Innovationen bei LLC-Controller, wie etwa beim UCC25661(Q1), erschließen jedoch neue Anwendungen für die LLC-Topologie im Automotive-Bereich und beim Laden von Elektrofahrzeugen. In EVs kommen LLC-Lösungen für redundante oder unterstützende Stromversorgungen, Zonenmodule oder die Stromversorgung bei abgeschaltetem Fahrzeug in Frage. Bei LEVs (leichte Elektrofahrzeuge) wiederum eignet sich die LLC-Topologie für den On-Board-Gleichspannungswandler oder das Off-Board-Lade- oder Netzgerät. In allen diesen Anwendungen sind hoher Wirkungsgrad und minimale Baugröße entscheidend, um die Reichweite des Fahrzeugs zu maximieren und Kosten zu sparen – besonders, wenn es im Fahrzeug mehrere LLC-Wandler gibt (wie etwa in den Zonenmodulen in Bild 1).
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LLC-Topologie erhöht die Leistungsdichte in Automotive-Systemen
Größe und Gewicht einer isolierten Stromversorgung werden meist von den magnetischen Bauelementen dominiert. Deren Abmessungen stehen in umgekehrtem Verhältnis zur Schaltfrequenz, da bei einer höheren Frequenz bei gleicher Ausgangsleistung immer weniger Energie pro Schaltzyklus gespeichert bzw. abgegeben werden muss.
Die Resonanzfrequenz des LLC-Controllers UCC25661-Q1 von 750 kHz kann dazu beitragen, Größe und Gewicht der magnetischen Bauteile zu verringern, was die Kosten senkt und der Zuverlässigkeit zugutekommt. Je mehr LLC-Wandler sich in einem Fahrzeug befinden, umso mehr kommen die Vorteile kleinerer und leichterer magnetischer Bauteile zum Tragen.
Grundsätzlich können auch PWM-Wandler für hohe Schaltfrequenzen geeignet sein, aber wegen ihrer harten Schaltvorgänge kann es schwierig sein, ohne sperrige EMV-Filter die EMI-Grenzwerte einzuhalten, die beispielsweise in der Norm CISPR 25 (Comité International Spécial des Perturbations Radioélectriques) festgeschrieben sind. LLC-Controller dagegen schalten prinzipbedingt weich, weil ihre Leistungsstufe einen Schwingkreis enthält. Aus diesem Grund erzeugt die LLC-Topologie weniger leitungsgeführte elektromagnetische Interferenzen und Schaltverluste als eine hart schaltende Halbbrücken-Topologie.
Der Unterschied zwischen hartem und weichem Schalten ist in Bild 2 veranschaulicht.
Neue Anwendungsmöglichkeiten dank IPPC
Der LLC-Controller UCC25661-Q1 ist mit der IPPC-Technik (Input Power Proportional Control) von TI ausgestattet, um Anwendungen mit großem Ausgangsspannungsbereich zu unterstützen – etwa beim Laden von Akkus (z.B. Ladegeräte für LEVs, Ladestationen oder Hilfsstromversorgungen). Bei LEVs ist derzeit ein Umstieg von Akkusätzen mit niedrigen Spannungen (zwischen 12 und 36 Volt) auf solche mit 48 V oder gar über 96 V im Gange, um die Reichweite zu maximieren.
Die Unterstützung eines großen Ausgangsspannungsbereichs ermöglicht das Design von LLC-Wandlern, die bei niedriger Akkuspannung nicht in den Burst-Modus wechseln und so der Langlebigkeit des Akkus entgegenkommen. Die IPPC-Technik verkürzt außerdem die Entwicklungszeit bei der Feinabstimmung der Performance-Stabilität im Burst-Modus. Die IPPC-Technologie im UCC25661-Q1 überwindet die traditionellen Grenzen der LLC-Regelverfahren, indem sie die vom Controller zur Leistungsabgabe verwendete Schaltfrequenz deutlich herabsetzt. Dadurch können Entwickler den unerwünschten Überlastschutz in akkubetriebenen Anwendungen vermeiden, ob fahrzeuggebunden oder nicht.
IPPC trägt außerdem zu einer effizienteren Leistungsabgabe bei deaktivierter Leistungsfaktor-Korrektur bei, ohne dass der Überlastschutz anspricht. Der Mixed-Burst-Modus minimiert nicht nur die Geräuschentwicklung, sondern verbessert auch die Leistungsfähigkeit bei geringer oder ganz ohne Last. Letzteres ist wichtig, um ein Tiefentladen des Akkus zu vermeiden.
Der UCC25661-Q1 verfügt außerdem über wirkungsvolle Schutzfunktionen wie etwa Pre-Bias Startup, Soft-Start und Vermeidung des kapazitiven Bereichs, die alle dafür sorgen, dass hochgradig zuverlässige Stromversorgungen entwickelt werden können.
Integrierte Features ermöglichen einfachere, gut geschützte Stromversorgungen
Die selbstanpassende Soft-Start-Funktion des UCC25661-Q1 sorgt für die Stabilisierung und ein langsames Hochfahren der Versorgungsspannung. Dadurch kann sich der mit dem VDD-Pin verbundene Kondensator vor dem Anlaufen vollständig aufladen und die Stromversorgung vor übermäßigen Inrush-Strömen bewahren.
Abhängig von der Lastsituation können LLC-Controller im resonanten oder kapazitiven Bereich arbeiten, wobei letzterer das Risiko ernster Schäden für die Leistungsstufe birgt. Während sich die meisten LLC-Controller darauf beschränken, ihren Betrieb einzustellen, wenn sie den Eintritt in den kapazitiven Bereich erkennen, kann der UCC25661-Q1 den kapazitiven Bereich von vornherein vermeiden und die Gate-Ansteuerung unterbinden, um Schäden zu unterbinden.
Zusammenfassung
EVs sind auf Fortschritte im Bereich der isolierten Stromversorgungs-Topologien angewiesen. Dazu gehören die LLC-Topologie und neue Regelungsmethoden wie die IPPC-Technik zur Realisierung von Gleichspannungswandlern für Architekturen der nächsten Generation. Isolierte DC/DC-Wandler auf Basis des LLC-Controllers UCC25661-Q1 können bei gleichen oder geringeren Abmessungen sowie bei unveränderter Leistungsfähigkeit auf effiziente Weise mehr Leistung abgeben.
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