電動(dòng)汽車 （EV） 和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （HEV） 正在發(fā)生變化，其中的電子設(shè)備也在發(fā)生變化。越來(lái)越多的電子設(shè)備在這些車輛的整體形式和功能中起著重要作用。然而，司機(jī)并沒有改變;他們?nèi)匀幌Ｍ麄兊碾妱?dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車能夠不停地行駛得更遠(yuǎn)，變得更實(shí)惠，充電更快，并確保它們的安全。但是，設(shè)計(jì)師如何才能以更少的價(jià)格給予它們更多？

隨著對(duì)安全性、功率密度和電磁干擾 （EMI） 的要求越來(lái)越嚴(yán)格，出現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，包括為每個(gè)關(guān)鍵負(fù)載提供單獨(dú)偏置電源的分布式電源架構(gòu)。

電動(dòng)汽車中的傳統(tǒng)偏置電源架構(gòu)

汽車設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)電動(dòng)汽車的電源要求為某些電源架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。圖1所示的傳統(tǒng)方法是集中式電源架構(gòu)，它使用一個(gè)中央變壓器和一個(gè)偏置控制器為所有柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生偏置電壓。

圖 1：HEV/EV 牽引逆變器中的集中式架構(gòu)

集中式架構(gòu)因其低成本而歷來(lái)是一種流行的解決方案，但這種架構(gòu)可能使管理故障和調(diào)節(jié)電壓變得困難，并且布局具有挑戰(zhàn)性。集中式架構(gòu)也可能受到更多噪聲的影響，并且在系統(tǒng)的一個(gè)區(qū)域中具有高而重的組件。

最后，隨著可靠性和安全性成為重中之重，集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余，如果偏置電源中的單個(gè)組件發(fā)生故障，可能會(huì)導(dǎo)致大型系統(tǒng)故障。實(shí)施分布式架構(gòu)以防止電源故障將實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)。

通過(guò)分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高可靠性

如果當(dāng)汽車以 65 英里/小時(shí)的速度行駛時(shí)，牽引變頻電機(jī)中的小型電子元件出現(xiàn)故障，沒有人希望車輛突然完全停止或失去發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。動(dòng)力總成內(nèi)的冗余和備用電源已成為確保安全性和可靠性的常態(tài)。

分布式電源架構(gòu)通過(guò)為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配一個(gè)專用的、本地的、調(diào)節(jié)良好的偏置電源來(lái)滿足電動(dòng)汽車環(huán)境的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。此體系結(jié)構(gòu)提供冗余并改進(jìn)系統(tǒng)對(duì)單點(diǎn)故障的反應(yīng)方式。例如，如果一個(gè)與柵極驅(qū)動(dòng)器配對(duì)的偏置電源發(fā)生故障，則其他五個(gè)偏置電源保持工作狀態(tài)，其配對(duì)的柵極驅(qū)動(dòng)器也是如此。如果六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器中的五個(gè)保持運(yùn)行，電機(jī)可以以良好控制的方式減速和關(guān)閉，或者可能無(wú)限期地繼續(xù)運(yùn)行。車內(nèi)的乘客甚至可能沒有意識(shí)到這種動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)的干擾。

反激式和推挽式控制器等外部變壓器偏置電源的高度、重量和面積較大，因此無(wú)法在輕量化電子設(shè)備中使用分布式架構(gòu)。電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)需要更先進(jìn)的技術(shù) – 更小的集成變壓器模塊，例如 UCC14240-Q1 隔離式 DC/DC 偏置電源模塊，它將變壓器和組件集成到一個(gè)具有低高度平面磁性元件的優(yōu)化模塊解決方案中。

將平面變壓器集成到集成電路尺寸的封裝中，可以大幅減小電力系統(tǒng)的尺寸、高度和重量。UCC14240-Q1 集成了變壓器和隔離，易于控制和低初級(jí)到次級(jí)電容，提高了密集和快速開關(guān)應(yīng)用中的共模瞬變抗擾度 （CMTI）。將初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)控制與隔離完全集成，可在一個(gè)器件中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓±1.3% 隔離式 DC/DC 偏置電源。UCC14240-Q1 可實(shí)現(xiàn) 1.5 W 的輸出功率（甚至高達(dá) 105°C），可為分布式架構(gòu)中的柵極驅(qū)動(dòng)器供電，如圖 2 所示。

圖 2：使用 UCC14240-Q1 的 EV/HEV 牽引逆變器中的分布式架構(gòu)

在分布式架構(gòu)中驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)的其他注意事項(xiàng)

電動(dòng)汽車需要高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性和安全性，而這一要求滲透到各個(gè)電源轉(zhuǎn)換電子設(shè)備。組件必須在 125°C 及以上的環(huán)境溫度下以受控且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的方式運(yùn)行。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是“智能”的，包括多種安全和診斷功能。為系統(tǒng)中的柵極驅(qū)動(dòng)器和其他電子器件供電的低功耗偏置電源也需要改進(jìn)，包括實(shí)現(xiàn)低EMI的方法。通過(guò)利用 TI 的集成變壓器技術(shù)和 3.5pF 的低初級(jí)到次級(jí)電容變壓器，UCC14240-Q1 可以減輕高速開關(guān)引起的 EMI，并輕松實(shí)現(xiàn)超過(guò) 150V/ns 的 CMTI。

在分布式架構(gòu)中，偏置電源靠近隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，可確保更簡(jiǎn)單的印刷電路板布局，并更好地調(diào)節(jié)為柵極驅(qū)動(dòng)器供電的電壓，最終驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)的柵極。這些因素提高了牽引逆變器的效率和可靠性，牽引逆變器通常可以在 100 kW 至 500 kW 的功率下運(yùn)行。這些大功率系統(tǒng)需要最高的效率，以確保最小的熱損失，因?yàn)闊釕?yīng)力是組件故障的罪魁禍?zhǔn)字弧?/p>

隨著這些電動(dòng)汽車電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更高的功率，是時(shí)候考慮碳化硅和氮化鎵電源開關(guān)，以實(shí)現(xiàn)更小、更高效的電源。這兩種半導(dǎo)體技術(shù)都有若干優(yōu)點(diǎn)，但需要比成熟的傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管更嚴(yán)格調(diào)節(jié)的柵極驅(qū)動(dòng)器電壓。它們還需要在安全隔離柵上提供低電容和高CMTI的元件，因?yàn)樗鼈円员纫郧罢J(rèn)為的更快的邊沿速率切換高電壓。

邁向可靠的電動(dòng)汽車未來(lái)

駕駛員將繼續(xù)要求車輛排放更低，續(xù)航里程更長(zhǎng)，安全性和可靠性更高，并且通常以更少的錢獲得更多功能。只有電力電子技術(shù)的進(jìn)步才能使電動(dòng)汽車的這些需求成為可能，包括電源架構(gòu)及其相關(guān)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源的創(chuàng)新。

向分布式電源架構(gòu)的轉(zhuǎn)變大大提高了隔離式高壓環(huán)境中的可靠性，但也帶來(lái)了附加組件增加尺寸和重量的挑戰(zhàn)。完全集成的電源解決方案，如 UCC14240-Q1 偏置電源模塊，可在高頻下切換，可節(jié)省系統(tǒng)級(jí)空間和重量。

審核編輯 黃昊宇