電動(dòng)汽車(chē)的進(jìn)一步挑戰(zhàn)將包含成本因素，作為電動(dòng)汽車(chē)最重要的組成部分——電池的售價(jià)正在不斷降低。同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)中的其他部分也需要進(jìn)一步降低成本，從而加速電動(dòng)車(chē)的普及。

　　“TI的目標(biāo)是降低汽車(chē)制造商的生產(chǎn)成本和消費(fèi)者的購(gòu)買(mǎi)價(jià)格。TI的技術(shù)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)可以幫助客戶(hù)集成動(dòng)力系統(tǒng)，以降低成本、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、提高功能安全和增強(qiáng)可靠性。動(dòng)力系統(tǒng)集成還能夠通過(guò)在更小的解決方案中實(shí)現(xiàn)更高的功率來(lái)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)范圍，提高系統(tǒng)效率，并提高功率密度?！钡轮輧x器汽車(chē)系統(tǒng)工程與市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)部門(mén)總監(jiān)Ryan Manack表示。

　　TI專(zhuān)注于幫助OEM降低總成本，并縮短原始設(shè)備制造商 (OEM) 的盈利周期。如今，TI針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)所推崇的理念是按成本設(shè)計(jì) (DTC design to cost)，它專(zhuān)注于動(dòng)力總成集成，即電力電子組件放置得更緊密，減少組件數(shù)量，并將它們集成到更少的盒子中。

　　Ryan以日前TI推出的隔離偏置電源為例，介紹了TI DTC概念的具體落地。

　　從隔離說(shuō)開(kāi)

　　電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)包含了高壓電路、數(shù)字控制通信等不同總線，因此為了確保安全性以及信號(hào)的高可靠性，需要使用大量的隔離器件應(yīng)用于數(shù)字接口，又或者是高壓與低壓之間的隔離電源。

　　為了實(shí)現(xiàn)高集成的隔離，TI開(kāi)發(fā)了兩種集成技術(shù)，一種是使用SIO2進(jìn)行隔離，應(yīng)用在數(shù)字通道中。另外一種則是集成超薄變壓器，這兩種技術(shù)都已成功商用，其中SiO2技術(shù)應(yīng)用于包括數(shù)字隔離器、隔離式接口、隔離放大器、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離式ADC等市場(chǎng)，集成變壓器技術(shù)應(yīng)用于隔離式DC/DC模塊及集成電源的信號(hào)隔離器中。

　　TI的隔離技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于包括數(shù)字隔離器、隔離電源、隔離接口、隔離ADC、隔離放大器以及隔離柵極驅(qū)動(dòng)等市場(chǎng)，并滿(mǎn)足車(chē)規(guī)及工業(yè)應(yīng)用中的不同需求，并且可提供包括基本型(3kVRMS)和增強(qiáng)型(5kVRMS)在內(nèi)的不同隔離等級(jí)的產(chǎn)品。

以牽引逆變器為例，有眾多涉及到隔離的子系統(tǒng)

　　電動(dòng)汽車(chē)電源架構(gòu)正在發(fā)生變化

　　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，涌現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，為每個(gè)關(guān)鍵負(fù)載配備獨(dú)立偏置電源的分布式電源架構(gòu)就是其中之一。

　　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)偏置控制器來(lái)為所有柵極驅(qū)動(dòng)器生成偏置電壓。

混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)器電源架構(gòu)

　　集中式架構(gòu)成本較低，因而這種解決方案歷來(lái)廣受歡迎，但該架構(gòu)難以管理故障和調(diào)節(jié)電壓，而且布局具有挑戰(zhàn)性。集中式架構(gòu)也容易受到更多噪聲的影響，并且一個(gè)系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的元件又高又重。同時(shí)，集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余，如果偏置電源中的單個(gè)元件出現(xiàn)故障，則可能導(dǎo)致大型系統(tǒng)故障。

　　分布式架構(gòu)具有更高的可靠性和安全性，可為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配一個(gè)與其靠近的專(zhuān)用的、本地的、方便調(diào)節(jié)的偏置電源，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用環(huán)境中的可靠性要求，因此可以提供冗余并提高系統(tǒng)對(duì)單點(diǎn)故障的反應(yīng)能力。例如，如果與柵極驅(qū)動(dòng)器配套的其中一個(gè)偏置電源失效，其他五個(gè)偏置電源及其配套的柵極驅(qū)動(dòng)器仍可正常運(yùn)行。如果六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器中有五個(gè)仍可正常運(yùn)行，電機(jī)便能以良好的控制方式減速和關(guān)閉，或者可能繼續(xù)運(yùn)行。使用這種電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，車(chē)輛中的乘客甚至都不會(huì)意識(shí)到出現(xiàn)問(wèn)題。

　　另外也有半分布式架構(gòu)介于二者之間。

　　也正是由于分布式架構(gòu)具有更多的隔離偏置電源，因此成本、設(shè)計(jì)難度等與傳統(tǒng)集中式架構(gòu)完全不同。

　　生成隔離式電源的傳統(tǒng)方法是在反激式、Fly-Buck 或推挽式拓?fù)渲惺褂弥绷?直流轉(zhuǎn)換器來(lái)驅(qū)動(dòng)變壓器。次級(jí)側(cè)的脈動(dòng)信號(hào)經(jīng)整流和濾波后生成隔離式直流電源。基于光耦合器的初級(jí)側(cè)反饋實(shí)現(xiàn)了線路和負(fù)載調(diào)節(jié)。在某些情況下，當(dāng)直流/直流轉(zhuǎn)換器以開(kāi)環(huán)配置運(yùn)行時(shí)，LDO 用于對(duì)轉(zhuǎn)換器的輸出進(jìn)行后置調(diào)節(jié)。這種分立式方法的缺點(diǎn)是，完整的解決方案(變壓器和其它組件)在電路板上占用了大量的空間。此外，設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定且高效的隔離式電源也具有挑戰(zhàn)性。

　　TI的解決方案是將直流/直流轉(zhuǎn)換器與微型變壓器集成在一個(gè)封裝中。通過(guò)此類(lèi)解決方案解決了系統(tǒng)工程師面臨的幾個(gè)設(shè)計(jì)難題，可以大幅度減少電路板面積：集成式解決方案的第一個(gè)優(yōu)勢(shì)是減少了電路板面積。功率級(jí)、變壓器、整流二極管、隔離反饋(有時(shí)還包括數(shù)字化數(shù)據(jù)隔離通道)都被集成在同一器件中，因此解決方案的尺寸顯著減小。除了減小表面積之外，使用平面變壓器還可使集成式解決方案的 z 維度(高度)比分立式變壓器更低，分立式變壓器的厚度會(huì)是平面變壓器的兩到三倍。同時(shí)，高度集成還提供了簡(jiǎn)潔而可靠的設(shè)計(jì)，集成式解決方案使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單，因?yàn)橛脩?hù)可在芯片上集成線路/負(fù)載調(diào)節(jié)的反饋和電源的所有保護(hù)機(jī)制(如過(guò)載和短路保護(hù)、熱關(guān)斷和軟啟動(dòng))。帶有笨重變壓器的電路板在振動(dòng)測(cè)試中表現(xiàn)不佳，尤其是針對(duì)汽車(chē)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，復(fù)雜的振動(dòng)與沖擊環(huán)境可能會(huì)引起變壓器的脫落或虛焊。因此，集成式解決方案還有助于提高板級(jí)可靠性。

TI的平面高集成變壓器技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)諸多優(yōu)勢(shì)

　　1.5W隔離偏置電源IC

　　集成變壓器由于尺寸受限，一般只提供較小的功率。而TI新推出的尺寸更小、精度更高的隔離式直流/直流偏置電源IC UCC14240-Q1，可提供高達(dá)1.5W的功率。集成了具有專(zhuān)有架構(gòu)的變壓器和直流/直流控制器，可實(shí)現(xiàn)較高的效率和極低的輻射，隔離性能為3000-VRMS。

　　UCC14240-Q1厚度為3.55mm，尺寸小巧，因此設(shè)計(jì)人員可以將電源解決方案的體積減小一半，用一半的尺寸支持更大的電量。薄型設(shè)計(jì)也支持將模塊安裝在印刷電路板的任意一側(cè)，為工程師帶來(lái)充分的靈活性。

　　這款雙路輸出電源模塊的效率為60%，比傳統(tǒng)的偏置電源高一倍，這使得功率密度翻倍，而且有助于提高汽車(chē)行駛里程。在105°C的環(huán)境溫度下，UCC14240-Q1的功率超過(guò)1.5W，支持工程師在高頻率下驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開(kāi)關(guān)。

　　該模塊集成片上設(shè)備保護(hù)，該器件全面集成了軟啟動(dòng)保護(hù)，故障監(jiān)控、過(guò)流保護(hù)、過(guò)功率保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)。還提供了一個(gè)專(zhuān)用的電源引腳，可使MCU感知輸出調(diào)節(jié)。該引腳還可為系統(tǒng)提供故障報(bào)警。

　　UCC14240-Q1結(jié)合使用3.5pF的初級(jí)到次級(jí)電容，可降低高速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的EMI，并輕松實(shí)現(xiàn)超過(guò)150V/ns的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 性能，這對(duì)于高頻率的SiC和GaN應(yīng)用尤為重要。

　　UCC14240-Q1具有軟開(kāi)關(guān)、展頻調(diào)制、屏蔽和低寄生等特性，使設(shè)計(jì)更容易滿(mǎn)足國(guó)際無(wú)線電干擾特別委員會(huì)(CISPR)25和CISPR 32電磁兼容性標(biāo)準(zhǔn)，從而加快產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)軟開(kāi)關(guān)可以減少死區(qū)時(shí)間從而提高系統(tǒng)效率。

UCC14240-Q1示意圖

　　UCC14240-Q1采用集成閉環(huán)控制，在-40°C至150°C內(nèi)可實(shí)現(xiàn)±1.0%的精度。與硅IGBT相比，SiC MOSFET輸出特性曲線的線性區(qū)及飽和區(qū)沒(méi)有明顯過(guò)渡，發(fā)生短路或過(guò)流時(shí)電流上升仍然很快，這就意味著保護(hù)電路需要更快的響應(yīng)速度來(lái)進(jìn)行保護(hù)。針對(duì)SiC MOSFET的短路保護(hù)需求，需要選擇檢測(cè)速度快，響應(yīng)時(shí)間短的芯片進(jìn)行保護(hù)電路設(shè)計(jì)。此外，根據(jù)IGBT的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，每次開(kāi)通時(shí)，需求設(shè)定一段消隱時(shí)間來(lái)避免由于開(kāi)通前期的Vce電壓從高位下降所導(dǎo)致的DSAET誤觸發(fā)。消隱時(shí)間的需要，又對(duì)本只有3us的SiC MOSFET的短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)提出更嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，需要驅(qū)動(dòng)芯片的DESAT相關(guān)參數(shù)具有更高的精度，以實(shí)現(xiàn)有效的保護(hù)設(shè)計(jì)。同時(shí)，也需要更優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路的PCB設(shè)計(jì)，保證更小的環(huán)路寄生電感的影響。

　　由于不同類(lèi)型的驅(qū)動(dòng)需要不同的開(kāi)通和關(guān)斷電壓等級(jí)，因此UCC14240-Q1具有靈活的VDD和VEE輸出，可以根據(jù)產(chǎn)品需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　如圖所示，不同場(chǎng)景中的輸出電壓及功率不同，豐富的調(diào)節(jié)功能可以滿(mǎn)足所有驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性。

　　除了在汽車(chē)中，包括智能電網(wǎng)(如直流充電樁)、工業(yè)機(jī)器人等對(duì)隔離和可靠性要求較高、同時(shí)又對(duì)PCB面積要求嚴(yán)苛的領(lǐng)域，其逆變器偏置電源都可以采用UCC14240-Q1。

　　此外，TI還推出具有單輸出集成變壓器的500mW 5kVrms 隔離式直流/直流IC UCC12051-Q1，同樣可以實(shí)現(xiàn)高隔離性，低EMI等特性。

　　其他隔離電源解決方案

　　無(wú)論是具有外部電源開(kāi)關(guān)的控制器、將一個(gè)控制器與多個(gè)電源開(kāi)關(guān)集成的轉(zhuǎn)換器，還是將多個(gè)控制器、電源開(kāi)關(guān)和變壓器集成為一體的電源模塊，都有許多可提供隔離式偏置電源的解決方案。從而滿(mǎn)足不同功率等級(jí)，不同拓?fù)湓趦?nèi)的需求。

　　如圖所示，推挽式、Fly-Buck、半橋及LLC等拓?fù)湫问骄梢詫?shí)現(xiàn)隔離電源，但LLC可以采用更小的初級(jí)到次級(jí)電容，并且效率更高，成本更低且CMTI性能更好，EMI性能也更好，因此非常適合集中式的隔離電源。

　　TI的UCC25800-Q1用于隔離式偏置電源的開(kāi)環(huán) LLC 變壓器驅(qū)動(dòng)器，集成了開(kāi)關(guān)功率級(jí)、控制和保護(hù)電路，以簡(jiǎn)化隔離偏置電源設(shè)計(jì)。LLC拓?fù)湓试S設(shè)計(jì)使用漏感更高但寄生一次到二次電容更小的變壓器。這種低電容變壓器設(shè)計(jì)使通過(guò)偏置變壓器的共模電流注入降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。這使得UCC25800-Q1成為各種汽車(chē)應(yīng)用中隔離偏置電源的理想解決方案，以最大限度地降低由高速開(kāi)關(guān)設(shè)備引起的EMI噪聲。UCC25800-Q1采用軟開(kāi)關(guān)操作，以進(jìn)一步降低EMI噪聲。

　　寫(xiě)在最后

　　消費(fèi)者永遠(yuǎn)希望以更低價(jià)格購(gòu)買(mǎi)排放量更低、續(xù)航里程更長(zhǎng)、安全性和可靠性更高且功能更多的車(chē)輛。只有電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步，才能滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)OEM的不斷嚴(yán)苛的需求，包括電源架構(gòu)的創(chuàng)新及其相關(guān)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器和偏置電源。

　　改用分布式電源架構(gòu)大大提高了在隔離式高壓環(huán)境中的可靠性，但面臨的挑戰(zhàn)是額外的元件會(huì)導(dǎo)致對(duì)重量和尺寸的要求更高。完全集成的電源解決方案可以節(jié)省系統(tǒng)級(jí)空間并實(shí)現(xiàn)輕量化。OEM可以靈活選擇。也正因此，隔離式電源可以有不同選擇，但需要了解輸出數(shù)量、調(diào)節(jié)要求、輸出功率、隔離等級(jí)、工作溫度和輸入電壓范圍等系統(tǒng)級(jí)規(guī)格。為此，工程師可以根據(jù)具體隔離電源應(yīng)用要求，從而選擇出成本更低、可滿(mǎn)足所有系統(tǒng)要求的解決方案。

　　除了滿(mǎn)足分布式架構(gòu)的隔離電源UCC14240-Q1之外，TI還提供其他隔離拓?fù)鋺?yīng)用的控制器，無(wú)論是效率、EMI、CMTI、集成度、可靠性等方面都處于業(yè)界一流水平，并且真正從DTC角度出發(fā)，通過(guò)更具性?xún)r(jià)比的產(chǎn)品和方案，滿(mǎn)足客戶(hù)的不同需求。