通過(guò)分布式架構驅動(dòng)下一代電動(dòng)汽車(chē)系統

　　電動(dòng)汽車(chē)(EV)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)(HEV)正在不斷演進(jìn)，其中的電子設備同樣也在發(fā)生變化。在這些車(chē)輛的整體構造和功能方面，越來(lái)越多的電子設備發(fā)揮著(zhù)重要作用。但是，司機并沒(méi)有改變。他們仍然希望自己的電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)能夠順利地行駛更遠，變得更經(jīng)濟實(shí)惠，充電速度更快，并確保他們的安全。那么設計人員如何才能以更低的成本為他們提供更多服務(wù)？

　　隨著(zhù)對安全性、功率密度和電磁干擾(EMI)的要求越來(lái)越嚴格，涌現了不同的電源架構來(lái)應對這些挑戰，包括為每個(gè)關(guān)鍵負載配備獨立偏置電源的分布式電源架構。

電動(dòng)汽車(chē)中的傳統電源架構

　　汽車(chē)設計工程師可以根據電動(dòng)汽車(chē)的電源要求為某些電源架構設計方案。圖1所示的傳統方法是集中式電源架構，它使用一個(gè)中央變壓器和一個(gè)偏置控制器來(lái)為所有柵極驅動(dòng)器生成偏置電壓。

圖1：混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器中的集中式架構

　　集中式架構成本較低，因而這種解決方案歷來(lái)廣受歡迎，但這種架構可能難以管理故障和調節電壓，而且布局具有挑戰性。集中式架構也容易受到更多噪音的影響，并且一個(gè)系統區域內的元件又高又重。

　　最后，隨著(zhù)可靠性和安全性成為重中之重，集中式架構的電源缺乏冗余，如果偏置電源中的單個(gè)元件出現故障，則可能導致大型系統故障。部署分布式架構可防止電源故障，從而打造更可靠的系統。

通過(guò)分布式架構實(shí)現高可靠性

　　如果在汽車(chē)以65英里/小時(shí)的速度行駛時(shí)，牽引逆變器電機中的一個(gè)小型電子元件出現故障，大家肯定都不希望車(chē)輛突然發(fā)動(dòng)機失靈或完全停止。動(dòng)力總成系統內的安全冗余和備用電源已成為確保安全性和可靠性的標配。

　　分布式電源架構可為每個(gè)柵極驅動(dòng)器分配一個(gè)與其靠近的專(zhuān)用的、本地的、方便調節的偏置電源，以滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)應用環(huán)境中的可靠性要求，因此可以提供冗余并提高系統對單點(diǎn)故障的反應能力。例如，如果與柵極驅動(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動(dòng)器仍可正常運行。如果六個(gè)柵極驅動(dòng)器中有五個(gè)仍可正常運行，電機便能以良好的控制方式減速和關(guān)閉，或者可能繼續運行。使用這種電源系統設計，車(chē)輛中的乘客甚至都不會(huì )意識到出現問(wèn)題。

　　外部變壓器偏置電源（如反激式和推挽式控制器）很高、很重且占用面積較大，阻礙了分布式架構在輕型電子設備中的使用。電動(dòng)汽車(chē)電源系統需要更先進(jìn)的器件，即更小的集成變壓器模塊，例如UCC14240-Q1隔離式直流/直流偏置電源模塊，它可將變壓器和元件集成到一個(gè)經(jīng)優(yōu)化的、具有低高度的平面磁性元件模塊解決方案中。

　　將平面變壓器集成在集成電路尺寸的封裝中，可以大幅減小電源系統的尺寸、降低其高度并減輕其重量。UCC14240-Q1集成了變壓器和隔離，可提供簡(jiǎn)單控制和較低的初級到次級電容，提高密集和快速開(kāi)關(guān)應用中的共模瞬變抗擾度(CMTI)。將初級和次級側控制與隔離完全集成，可在一個(gè)器件中實(shí)現穩定的±1.3%隔離式直流/直流偏置電源。通過(guò)實(shí)現1.5W的輸出功率，甚至在高達105°C的溫度下也是如此，UCC14240-Q1可以為分布式架構中的柵極驅動(dòng)器供電，如圖2所示。

圖2：使用UCC14240-Q1的電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)牽引逆變器中的分布式架構

在分布式架構中驅動(dòng)動(dòng)力總成系統的其他注意事項

　　電動(dòng)汽車(chē)需要高標準的可靠性和安全性，而這種要求會(huì )滲透到各個(gè)功率轉換電子設備上。元件必須以受控且經(jīng)過(guò)驗證的方式在125°C及以上的環(huán)境溫度下運行。隔離式柵極驅動(dòng)器需要是“智能的”，包括多項安全和診斷功能。為系統中的柵極驅動(dòng)器和其他電子設備供電的低功率偏置電源也需要改進(jìn)，包括實(shí)現低EMI。UCC14240-Q1利用TI的集成變壓器技術(shù)，結合使用3.5pF的初級到次級電容變壓器，可降低高速開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的EMI，并輕松實(shí)現超過(guò)150V/ns的CMTI。

　　偏置電源靠近分布式架構中的隔離式柵極驅動(dòng)器，可確保更簡(jiǎn)單的印刷電路板布局布線(xiàn)和更好地調節為柵極驅動(dòng)器供電的電壓，最終驅動(dòng)電源開(kāi)關(guān)的柵極。這些因素可以提高牽引逆變器的效率和可靠性，通?？墒蛊湓?00kW至500kW下運行。這些高功率系統需要更高的效率以確保更小的熱損失，因為熱應力是元件故障的主要原因之一。

　　隨著(zhù)這些電動(dòng)汽車(chē)電源系統對功率的要求越來(lái)越高，是時(shí)候考慮使用碳化硅和氮化鎵電源開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現更小、更高效的電源了。這兩種半導體技術(shù)各自都有一些優(yōu)點(diǎn)，但需要比成熟的傳統絕緣柵雙極晶體管更嚴格地調節柵極驅動(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，因為它們切換高電壓的速率比以前想象的更快。

電動(dòng)汽車(chē)未來(lái)會(huì )向更高的可靠性和更遠的行駛距離邁進(jìn)

　　駕駛員將繼續期望以更低價(jià)格購買(mǎi)排放量更低、續航里程更長(cháng)、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，對電動(dòng)汽車(chē)的這些需求才有可能得到滿(mǎn)足，包括電源架構的創(chuàng )新及其相關(guān)的隔離式柵極驅動(dòng)器和偏置電源。

　　改用分布式電源架構大大提高了在隔離式高壓環(huán)境中的可靠性，但面臨的挑戰是額外的元件會(huì )導致對重量和尺寸的要求更高。完全集成的電源解決方案（例如在高頻下開(kāi)關(guān)的UCC14240-Q1偏置電源模塊）可以節省系統級空間并實(shí)現輕量化。

其他資源

　　?查看這些白皮書(shū)：

　　o《高性能集成式動(dòng)力總成解決方案：電動(dòng)汽車(chē)普及的關(guān)鍵》”。https://www.ti.com.cn/cn/lit/wp/zhcy139a/zhcy139a.pdf?HQS=app-hvp-hvc-ucc14240q1-ta-whip-null-cn

　　o《穿過(guò)隔離柵供電：隔離式直流/直流偏置電源的現狀》。https://www.ti.com/cn/lit/wp/slyy182a/slyy182a.pdf?ts=1628639979523

　　?下載UCC14240-Q1數據表。http://ti.com.cn/product/cn/ucc14240-q1

　　?下載UCC5870-Q1數據表。https://www.ti.com.cn/product/cn/UCC5870-Q1

　　?閱讀技術(shù)文章，《小型隔離式電源解決方案的價(jià)值》。https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/posts/the-value-of-a-thin-isolated-power-solution