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

　　“TI的目標(biāo)是降低汽車制造商的生產(chǎn)成本和消費(fèi)者的購買價(jià)格。TI的技術(shù)和專業(yè)知識可以幫助客戶集成動力系統(tǒng)，以降低成本、簡化設(shè)計(jì)、提高功能安全和增強(qiáng)可靠性。動力系統(tǒng)集成還能夠通過在更小的解決方案中實(shí)現(xiàn)更高的功率來擴(kuò)展驅(qū)動范圍，提高系統(tǒng)效率，并提高功率密度?！钡轮輧x器汽車系統(tǒng)工程與市場營銷部門總監(jiān)Ryan Manack表示。

　　TI專注于幫助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針對電動汽車所推崇的理念是按成本設(shè)計(jì) (DTC design to cost)，它專注于動力總成集成，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。

　　從隔離說開

　　電動汽車動力總成系統(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)動器、隔離式ADC等市場，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)動等市場，并滿足車規(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)

　　電動汽車電源架構(gòu)正在發(fā)生變化

　　隨著對安全性、功率密度和電磁干擾(EMI)的要求越來越嚴(yán)格，涌現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來應(yīng)對這些挑戰(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)偏置控制器來為所有柵極驅(qū)動器生成偏置電壓。

混合動力電動汽車/電動汽車不同類型的驅(qū)動器電源架構(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)動器分配一個(gè)與其靠近的專用的、本地的、方便調(diào)節(jié)的偏置電源，以滿足電動汽車應(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)對單點(diǎn)故障的反應(yīng)能力。例如，如果與柵極驅(qū)動器配套的其中一個(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)動器仍可正常運(yùn)行。如果六個(gè)柵極驅(qū)動器中有五個(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)，車輛中的乘客甚至都不會意識到出現(xiàn)問題。

　　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)換器來驅(qū)動變壓器。次級側(cè)的脈動信號經(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)換器以開環(huán)配置運(yùn)行時(shí)，LDO 用于對轉(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。通過此類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)勢是減少了電路板面積。功率級、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是平面變壓器的兩到三倍。同時(shí)，高度集成還提供了簡潔而可靠的設(shè)計(jì)，集成式解決方案使系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更加簡單，因?yàn)橛脩艨稍谛酒霞删€路/負(fù)載調(diào)節(jié)的反饋和電源的所有保護(hù)機(jī)制(如過載和短路保護(hù)、熱關(guān)斷和軟啟動)。帶有笨重變壓器的電路板在振動測試中表現(xiàn)不佳，尤其是針對汽車系統(tǒng)來說，復(fù)雜的振動與沖擊環(huán)境可能會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

　　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行駛里程。在105°C的環(huán)境溫度下，UCC14240-Q1的功率超過1.5W，支持工程師在高頻率下驅(qū)動絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開關(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保護(hù)，故障監(jiān)控、過流保護(hù)、過功率保護(hù)和過熱保護(hù)。還提供了一個(gè)專用的電源引腳，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的初級到次級電容，可降低高速開關(guān)產(chǎn)生的EMI，并輕松實(shí)現(xiàn)超過150V/ns的共模瞬態(tài)抗擾度 (CMTI) 性能，這對于高頻率的SiC和GaN應(yīng)用尤為重要。

　　UCC14240-Q1具有軟開關(guān)、展頻調(diào)制、屏蔽和低寄生等特性，使設(shè)計(jì)更容易滿足國際無線電干擾特別委員會(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)沒有明顯過渡，發(fā)生短路或過流時(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)速度來進(jìn)行保護(hù)。針對SiC MOSFET的短路保護(hù)需求，需要選擇檢測速度快，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)，每次開通時(shí)，需求設(shè)定一段消隱時(shí)間來避免由于開通前期的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。

　　由于不同類型的驅(qū)動需要不同的開通和關(guān)斷電壓等級，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，不同場景中的輸出電壓及功率不同，豐富的調(diào)節(jié)功能可以滿足所有驅(qū)動器應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性。

　　除了在汽車中，包括智能電網(wǎng)(如直流充電樁)、工業(yè)機(jī)器人等對隔離和可靠性要求較高、同時(shí)又對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

　　無論是具有外部電源開關(guān)的控制器、將一個(gè)控制器與多個(gè)電源開關(guān)集成的轉(zhuǎn)換器，還是將多個(gè)控制器、電源開關(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。從而滿足不同功率等級，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到次級電容，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環(huán) LLC 變壓器驅(qū)動器，集成了開關(guān)功率級、控制和保護(hù)電路，以簡化隔離偏置電源設(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)使通過偏置變壓器的共模電流注入降低了一個(gè)數(shù)量級。這使得UCC25800-Q1成為各種汽車應(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關(guān)設(shè)備引起的EMI噪聲。UCC25800-Q1采用軟開關(guān)操作，以進(jìn)一步降低EMI噪聲。

　　寫在最后

　　消費(fèi)者永遠(yuǎn)希望以更低價(jià)格購買排放量更低、續(xù)航里程更長、安全性和可靠性更高且功能更多的車輛。只有電力電子技術(shù)不斷進(jìn)步，才能滿足電動汽車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)是額外的元件會導(dǎo)致對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、工作溫度和輸入電壓范圍等系統(tǒng)級規(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、可滿足所有系統(tǒng)要求的解決方案。

　　除了滿足分布式架構(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)，通過更具性價(jià)比的產(chǎn)品和方案，滿足客戶的不同需求。