Echtzeit-MCUs von Texas Instruments
Kosten- und energieeffizient
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Beispiele für Echtzeit-Verbindungen
Anwendungsbeispiel 1: MCU steuert Traktionswechselrichter und DC/DC-Wandler
Automobilhersteller tendieren dazu, die drei verteilten Systemkomponenten in einem Chassis zu vereinen und die Anzahl der MCUs zu minimieren, um die Systemkosten und die Komplexität zu reduzieren. Dies erfordert jedoch eine MCU mit hoher Echtzeit-Steuerungsleistung, um alle drei Komponenten zu verwalten. Das Referenzdesign »TIDM-02009« von TI demonstriert die Kombination eines EV/HEV-Traktionswechselrichters mit einem bidirektionalen DC/DC-Wandler, die von einer einzigen Echtzeit-MCU F28388DPTPS gesteuert werden (Bild 6).
Der Traktionsumrichter verwendet einen Software-basierten Resolver-Digital-Wandler (RDC), um den Motor auf eine hohe Drehzahl von bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute (1/min) zu bringen. Die Leistungsstufe besteht aus dem Sechs-Wege-Leistungsmodul »CCS050M12CM2« von Wolfspeed, das auf SiC-FETs basiert und von dem intelligenten Gate-Treiber »UCC5870QDWJRQ1« von TI angesteuert wird. Ein modernes PWM-Modul mit integrierter Steigungskompensation im Komparator-Subsystem (CMPSS) erzeugt die PCMC-Wellenform. Der Spannungsmesspfad verwendet TIs Verstärker »AMC1311QDWVRQ1« mit extrastarker Isolation und 2-V-Eingängen, und der Strommesspfad verwendet TIs Präzisionsverstärker »AMC1302QDWVRQ1« mit extrastarker Isolation und Eingängen für ±50 mV.
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Der DC/DC-Wandler verwendet die PCMC-Technologie (Peak Current Mode Control) mit phasenverschobener Vollbrückentopologie (PSFB) und synchroner Gleichrichtung (SR). Seine Bidirektionalität hat den Vorteil, dass der Wandler den Zwischenkreiskondensator vorlädt, wodurch Strombegrenzungsrelais und Vorwiderstände überflüssig werden. Die störsichere Kommunikation auf Basis von CAN FD wird durch das integrierte Controller-Transceiver-Modul »TCAN4550RGYTQ1« gewährleistet.
Anwendungsbeispiel 2: Effizienter bidirektionaler AC/DC-Wandler
Für relativ hohe Ausgangsleistungen stellt der »PMP22650« ein GaN-FET-basiertes Referenzdesign für einen bidirektionalen einphasigen AC/DC-Wandler mit einer Leistung von 6,6 kW dar. Das OBC-Ladegerät kann die Antriebsbatterie mit Strom aus dem Netz laden und umgekehrt die Zwischenkreiskondensatoren vorladen. Das Gerät wandelt 240 V Wechselspannung bei 28 A auf der Primärseite in 350 V Gleichspannung bei 19 A auf der Sekundärseite um.
Eine einzelne F28388DPTPS-MCU steuert die zweiphasige Totem-Pole-Verbindung mit Leistungsfaktorkorrektur (PFC), die mit einer Schaltfrequenz von 120 kHz arbeitet, und eine Vollbrücken-CLLLC-Topologie (C: Kondensator, L: Induktivität) mit anschließender Synchrongleichrichtung. Der CLLLC-Wandler verwendet sowohl Frequenz- als auch Phasenmodulation zur Ausgangsregelung und arbeitet mit einer variablen Frequenz von 200 bis 800 kHz.
In Bild 7 steuert die passende Controllerkarte »TMDSCNCD28388D« (Mitte) den primärseitigen PFC-Zwischenkreis (links) und den sekundärseitigen CLLLC-Vollbrückenwandler mit Synchrongleichrichtung (rechts). Die schematische Darstellung dieses Entwurfs ist in Bild 8 zu sehen.
Ein Wirkungsgrad von bis zu 96 Prozent bei voller Leistung und eine Open-Frame-Leistungsdichte von 3,8 kW/l werden durch den Einsatz der neu entwickelten High-Speed-GaN-FETs »LMG3522R030-Q1« ermöglicht. Der Leistungsfaktor beträgt 0,999 mit weniger als 2 Prozent Gesamtverzerrung (THD). Eine Alternative zum »LMG3522» ist der GaN-FET »LMG3422R030RQZT«, der ebenfalls für die Automobilindustrie geeignet ist und eine Schaltspannung von 600 V sowie einen RDS(on) von 30 mΩ aufweist.
Außerdem sind der Gate-Treiber, der Überlastschutz und die Temperaturüberwachung integriert.
Eine Besonderheit dieses AC/DC-Wandlers ist der HHC, der die Nulldurchgangsverzerrung durch Nachbildung der Spannung am Resonanzkondensator deutlich reduziert. Die Testergebnisse zeigen auch ein besseres Einschwingverhalten, und das Design dieses Regelkreises ist zudem einfacher als die Spannungsregelung mit nur einer Schleife.
Das Beispiel eines Photovoltaik-Wechselrichters zeigt, wie effektiv HHC die Verzerrungen der Brückenschalttransistoren im Nulldurchgang reduziert (Bild 9, links) und damit sowohl Emissionen als auch Verzerrungen im Stromnetz eliminiert. Der hohe Klirrfaktor von 7,8 Prozent der 3. Harmonischen der sinusförmigen Netzspannung (Bild 9, oben rechts) wird durch den Einsatz von HHC auf 0,9 Prozent reduziert (Bild 9, unten rechts).
Das Schaltungsdesign dieses DC/DC-Wandlers für 6,6 kW basiert übrigens auf dem Referenzdesign »TIDA-010062« von TI, während das bereits erwähnte C2000Ware-DigitalPower-SDK das Design solcher Leistungswandler erleichtert.
Fazit
Die Echtzeit-MCUs der Serie C2000 von Texas Instruments können nahezu jede Steuerungsaufgabe in der KFZ-Leistungselektronik bewältigen. Die Nutzung dieses MCU-Ökosystems ermöglicht ein zeit- und kosteneffizientes Systemdesign, indem es die normalerweise verteilte Systemelektronik mithilfe leistungsstarker Echtzeit-MCUs zusammenfasst und gemeinsam steuert.
Wie gezeigt sind intelligente GaN- und SiC-Leistungstreiber relativ einfach zu implementieren. Umfangreiche Bibliotheksfunktionen und vollständig dokumentierte, vorzertifizierte Referenzdesigns erleichtern die Implementierung einer effizienteren FOC-Motorsteuerung und HHC-Steuerung von Umrichtern.
- Kosten- und energieeffizient
- Für kundenspezifische Logik
- Beispiele für Echtzeit-Verbindungen
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