通過(guò)分布式供電簡(jiǎn)化汽車(chē)動(dòng)力系統設計

一般而言，汽車(chē)動(dòng)力系統采用集中供電的方式，通過(guò)多通道變壓器將電池中的12 V的直流電進(jìn)行轉化，以為6個(gè)隔離式柵級驅動(dòng)電路供電(圖1)。

圖1 集中式電力供應模塊示意圖

設計者在集中式變壓器模型方面面臨著(zhù)許多挑戰，包括布局過(guò)于復雜和產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。此外，由于需要更多層來(lái)隔離信號/電源線(xiàn)，還會(huì )面臨電路板占用空間較大和印刷電路板(PCB)成本較高等問(wèn)題。

然而，有了博通有限公司推出的配備有集成反激式控制器的汽車(chē)級智能柵極驅動(dòng)，例如ACPL-32JT和ACPL-33JT，通過(guò)一些獨立的組件，以及一些放置在IC旁邊的小型高效變壓器就可以輕易搭建一個(gè)分布式電力供應系統(圖2)。這可以減少總的占用空間，并可將絕緣柵雙極晶體管(IGBT)通道之間電磁干擾(EMI)和噪聲耦合降低到最低。

圖2 分布式電力供應模塊示意圖

設計簡(jiǎn)單

由于采用分布式電力供應架構，設計人員在規劃線(xiàn)路布局的時(shí)候更具有靈活性;低電壓平面(low voltage plane)和高電壓平面(high voltage plane)可以輕易地區分開(kāi)來(lái)。此外，整個(gè)印刷電路板( PCB)布線(xiàn)變得更易于管理和更為便利。

圖3 采用集中電力供應設計的6通道IGBT柵級驅動(dòng)器板

圖4 采用配有ACPL-32JT的分布式電力供應設計的6聲道IGBT柵極驅動(dòng)板

圖3和4比較了基于集中式電力供應和基于分布式電力供應的的六通道IGBT柵極驅動(dòng)板。很明顯，分布式電力供應架構的印刷電路板布局更為簡(jiǎn)單，布線(xiàn)也更為有效。在低電壓和高電壓回路之間并沒(méi)有PCB 走線(xiàn)(PCB trace)和電平(power plane)，從而提高了信號的完整性，并避免對信號線(xiàn)造成不利的噪音干擾。

魯棒性

分布式電力供應系統采用的變壓器體積要比集中式變壓器體積小14倍。圖5顯示了位于集中式變壓器與單個(gè)變壓器的大小比較。表1則列出了集中式變壓器和單個(gè)變壓器的實(shí)際尺寸大小。

圖5 單個(gè)變壓器與集中式變壓器的大小比較

表1 單個(gè)變壓器與集中式變壓器的大小比較

與體積更為笨重、更為高大、且容易受到機械振動(dòng)影響的集中變壓器相比，為每個(gè)驅動(dòng)配備的單個(gè)變壓器可以提高可靠性和魯棒性。集中式供電架構使用的電力供應電容器尺寸更大，封裝在一個(gè)圓筒的 CAN 包里(in a radial CAN package)，非常醒目K且占據空g。為此，設計師可為分布式電力供應系統選擇尺寸更小的表面貼裝器件封裝(SMD package)電容器。這些電容器所需的額定電壓要比傳統的集中式電力供應回路至少低10V~20V。

節省成本

除了設計簡(jiǎn)單和擁有較好的魯棒性之外，選擇分布式電力供應系統的另一個(gè)好處就是可以通過(guò)整個(gè)電路板尺寸和印刷電路板分層的最小化來(lái)節省成本。分布式的驅動(dòng)器系統和單個(gè)的變壓器可讓它們緊密地放置在一起，從而節省寶貴的電路板空間。圖6展示的是一個(gè)精心設計的半橋柵極驅動(dòng)器電路(頂部和底部通道)，放置在一個(gè)39.7mm(寬) X 52mm(長(cháng))的區域，不到標準名片一半大小。在這種情況下，一個(gè)六通道柵極驅動(dòng)電路需要的PCB面積只相當于1.5張標準名片的大小。

圖6 半橋柵極驅動(dòng)電路板可以按照半張標準名片的大小進(jìn)行緊湊設計

分布式系統也有助于減少印刷電路板的層數，因為低電壓線(xiàn)路/平面(low voltage traces/planes)和高電壓線(xiàn)路/平面(high voltage traces/planes)之間并沒(méi)有交叉。這就不需要為傳導交叉信號而添加額外的層。圖7顯示了專(zhuān)為 Fuji M651 IGBT設計的緊湊型6通道柵極驅動(dòng)板，使用了配備有ACPL-32JT的僅有四層的印刷電路板。

圖7 采用分布式電力供應設計且僅使用了四層PCB的緊湊型六通道柵級驅動(dòng)器

更好的EMI性能

在一個(gè)集中式電力系統當中，一個(gè)大型六通道變壓器通常要比單個(gè)的小型變壓器發(fā)出更多的 EMI 噪聲。在分布式電源供應系統當中，每個(gè)智能柵極驅動(dòng)光耦合器接通過(guò)一體化的DC / DC控制器驅動(dòng)單個(gè)變壓器，以為側端供電驅動(dòng)IGBT。

以下測量結果表明：和小型的單個(gè)變壓器相比，集中式6通道變壓器(圖8)的 EMI噪音要高很多(圖9)。

圖8 集中式六通道變壓器中的EMI測量

圖9 單個(gè)小型變壓器中的EMI測量

結論

和使用傳統集中式電力供應架構的柵級驅動(dòng)電路板相比，分布式電力供應系統可以簡(jiǎn)化汽車(chē)多通道IGBT柵極驅動(dòng)器的設計，提高魯棒性和EMI性能，并降低組件成本。