電動汽車的進一步挑戰(zhàn)將包含成本因素，作為電動汽車最重要的組成部分——電池的售價正在不斷降低。同時，電動汽車中的其他部分也需要進一步降低成本，從而加速電動車的普及。

　　“TI的目標是降低汽車制造商的生產(chǎn)成本和消費者的購買價格。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、簡化設計、提高功能安全和增強可靠性。動力系統(tǒng)集成還能夠通過在更小的解決方案中實現(xiàn)更高的功率來擴展驅(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計 (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進行隔離，應用在數(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)應用中的不同需求，并且可提供包括基本型(3kVRMS)和增強型(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)的要求越來越嚴格，涌現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來應對這些挑戰(zhàn)，為每個關(guān)鍵負載配備獨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)，它使用一個中央變壓器和一個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，并且一個系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的元件又高又重。同時，集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余，如果偏置電源中的單個元件出現(xiàn)故障，則可能導致大型系統(tǒng)故障。

　　分布式架構(gòu)具有更高的可靠性和安全性，可為每個柵極驅(qū)動器分配一個與其靠近的專用的、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)對單點故障的反應能力。例如，如果與柵極驅(qū)動器配套的其中一個偏置電源失效，其他五個偏置電源及其配套的柵極驅(qū)動器仍可正常運行。如果六個柵極驅(qū)動器中有五個仍可正常運行，電機便能以良好的控制方式減速和關(guān)閉，或者可能繼續(xù)運行。使用這種電源系統(tǒng)設計，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、設計難度等與傳統(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 或推挽式拓撲中使用直流/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?；诠怦詈掀鞯某跫墏?cè)反饋實現(xiàn)了線路和負載調(diào)節(jié)。在某些情況下，當直流/直流轉(zhuǎn)換器以開環(huán)配置運行時，LDO 用于對轉(zhuǎn)換器的輸出進行后置調(diào)節(jié)。這種分立式方法的缺點是，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，設計一個穩(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)工程師面臨的幾個設計難題，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，高度集成還提供了簡潔而可靠的設計，集成式解決方案使系統(tǒng)設計變得更加簡單，因為用戶可在芯片上集成線路/負載調(diào)節(jié)的反饋和電源的所有保護機制(如過載和短路保護、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，因此設計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。薄型設計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)。

　　該模塊集成片上設備保護，該器件全面集成了軟啟動保護，故障監(jiān)控、過流保護、過功率保護和過熱保護。還提供了一個專用的電源引腳，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，使設計更容易滿足國際無線電干擾特別委員會(CISPR)25和CISPR 32電磁兼容性標準，從而加快產(chǎn)品上市時間，同時軟開關(guān)可以減少死區(qū)時間從而提高系統(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)生短路或過流時電流上升仍然很快，這就意味著保護電路需要更快的響應速度來進行保護。針對SiC MOSFET的短路保護需求，需要選擇檢測速度快，響應時間短的芯片進行保護電路設計。此外，根據(jù)IGBT的設計經(jīng)驗，每次開通時，需求設定一段消隱時間來避免由于開通前期的Vce電壓從高位下降所導致的DSAET誤觸發(fā)。消隱時間的需要，又對本只有3us的SiC MOSFET的短路保護電路設計提出更嚴苛的挑戰(zhàn)，需要驅(qū)動芯片的DESAT相關(guān)參數(shù)具有更高的精度，以實現(xiàn)有效的保護設計。同時，也需要更優(yōu)化的驅(qū)動電路的PCB設計，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)動器應用，從而實現(xiàn)設計靈活性。

　　除了在汽車中，包括智能電網(wǎng)(如直流充電樁)、工業(yè)機器人等對隔離和可靠性要求較高、同時又對PCB面積要求嚴苛的領域，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、將一個控制器與多個電源開關(guān)集成的轉(zhuǎn)換器，還是將多個控制器、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，不同拓撲在內(nèi)的需求。

　　如圖所示，推挽式、Fly-Buck、半橋及LLC等拓撲形式均可以實現(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、控制和保護電路，以簡化隔離偏置電源設計。LLC拓撲允許設計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計使通過偏置變壓器的共模電流注入降低了一個數(shù)量級。這使得UCC25800-Q1成為各種汽車應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)設備引起的EMI噪聲。UCC25800-Q1采用軟開關(guān)操作，以進一步降低EMI噪聲。

　　寫在最后

　　消費者永遠希望以更低價格購買排放量更低、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)不斷進步，才能滿足電動汽車OEM的不斷嚴苛的需求，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還提供其他隔離拓撲應用的控制器，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)，通過更具性價比的產(chǎn)品和方案，滿足客戶的不同需求。