利用分布式架構(gòu)驅(qū)動下一代電動汽車系統(tǒng)

電動汽車 （EV） 和混合動力電動汽車 （HEV） 正在發(fā)生變化，其中的電子設備也在發(fā)生變化。越來越多的電子設備在這些車輛的整體形式和功能中起著重要作用。然而，司機并沒有改變;他們?nèi)匀幌Ｍ麄兊碾妱悠嚭突旌蟿恿ζ嚹軌虿煌５匦旭偟酶h，變得更實惠，充電更快，并確保它們的安全。但是，設計師如何才能以更少的價格給予它們更多？

隨著對安全性、功率密度和電磁干擾 （EMI） 的要求越來越嚴格，出現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來應對這些挑戰(zhàn)，包括為每個關鍵負載提供單獨偏置電源的分布式電源架構(gòu)。

電動汽車中的傳統(tǒng)偏置電源架構(gòu)

汽車設計工程師可以根據(jù)電動汽車的電源要求為某些電源架構(gòu)設計方案。圖1所示的傳統(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為所有柵極驅(qū)動器產(chǎn)生偏置電壓。

圖 1：HEV/EV 牽引逆變器中的集中式架構(gòu)

集中式架構(gòu)因其低成本而歷來是一種流行的解決方案，但這種架構(gòu)可能使管理故障和調(diào)節(jié)電壓變得困難，并且布局具有挑戰(zhàn)性。集中式架構(gòu)也可能受到更多噪聲的影響，并且在系統(tǒng)的一個區(qū)域中具有高而重的組件。

最后，隨著可靠性和安全性成為重中之重，集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余，如果偏置電源中的單個組件發(fā)生故障，可能會導致大型系統(tǒng)故障。實施分布式架構(gòu)以防止電源故障將實現(xiàn)可靠的系統(tǒng)。

通過分布式架構(gòu)實現(xiàn)高可靠性

如果當汽車以 65 英里/小時的速度行駛時，牽引變頻電機中的小型電子元件出現(xiàn)故障，沒有人希望車輛突然完全停止或失去發(fā)動機動力。動力總成內(nèi)的冗余和備用電源已成為確保安全性和可靠性的常態(tài)。

分布式電源架構(gòu)通過為每個柵極驅(qū)動器分配一個專用的、本地的、調(diào)節(jié)良好的偏置電源來滿足電動汽車環(huán)境的可靠性標準。此體系結(jié)構(gòu)提供冗余并改進系統(tǒng)對單點故障的反應方式。例如，如果一個與柵極驅(qū)動器配對的偏置電源發(fā)生故障，則其他五個偏置電源保持工作狀態(tài)，其配對的柵極驅(qū)動器也是如此。如果六個柵極驅(qū)動器中的五個保持運行，電機可以以良好控制的方式減速和關閉，或者可能無限期地繼續(xù)運行。車內(nèi)的乘客甚至可能沒有意識到這種動力系統(tǒng)設計的干擾。

反激式和推挽式控制器等外部變壓器偏置電源的高度、重量和面積較大，因此無法在輕量化電子設備中使用分布式架構(gòu)。電動汽車電源系統(tǒng)需要更先進的技術 – 更小的集成變壓器模塊，例如 UCC14240-Q1 隔離式 DC/DC 偏置電源模塊，它將變壓器和組件集成到一個具有低高度平面磁性元件的優(yōu)化模塊解決方案中。

將平面變壓器集成到集成電路尺寸的封裝中，可以大幅減小電力系統(tǒng)的尺寸、高度和重量。UCC14240-Q1 集成了變壓器和隔離，易于控制和低初級到次級電容，提高了密集和快速開關應用中的共模瞬變抗擾度 （CMTI）。將初級側(cè)和次級側(cè)控制與隔離完全集成，可在一個器件中實現(xiàn)穩(wěn)壓±1.3% 隔離式 DC/DC 偏置電源。UCC14240-Q1 可實現(xiàn) 1.5 W 的輸出功率（甚至高達 105°C），可為分布式架構(gòu)中的柵極驅(qū)動器供電，如圖 2 所示。

圖 2：使用 UCC14240-Q1 的 EV/HEV 牽引逆變器中的分布式架構(gòu)

在分布式架構(gòu)中驅(qū)動動力總成系統(tǒng)的其他注意事項

電動汽車需要高標準的可靠性和安全性，而這一要求滲透到各個電源轉(zhuǎn)換電子設備。組件必須在 125°C 及以上的環(huán)境溫度下以受控且經(jīng)過驗證的方式運行。隔離式柵極驅(qū)動器是“智能”的，包括多種安全和診斷功能。為系統(tǒng)中的柵極驅(qū)動器和其他電子器件供電的低功耗偏置電源也需要改進，包括實現(xiàn)低EMI的方法。通過利用 TI 的集成變壓器技術和 3.5pF 的低初級到次級電容變壓器，UCC14240-Q1 可以減輕高速開關引起的 EMI，并輕松實現(xiàn)超過 150V/ns 的 CMTI。

在分布式架構(gòu)中，偏置電源靠近隔離式柵極驅(qū)動器，可確保更簡單的印刷電路板布局，并更好地調(diào)節(jié)為柵極驅(qū)動器供電的電壓，最終驅(qū)動電源開關的柵極。這些因素提高了牽引逆變器的效率和可靠性，牽引逆變器通?？梢栽?100 kW 至 500 kW 的功率下運行。這些大功率系統(tǒng)需要最高的效率，以確保最小的熱損失，因為熱應力是組件故障的罪魁禍首之一。

隨著這些電動汽車電源系統(tǒng)轉(zhuǎn)向更高的功率，是時候考慮碳化硅和氮化鎵電源開關，以實現(xiàn)更小、更高效的電源。這兩種半導體技術都有若干優(yōu)點，但需要比成熟的傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管更嚴格調(diào)節(jié)的柵極驅(qū)動器電壓。它們還需要在安全隔離柵上提供低電容和高CMTI的元件，因為它們以比以前認為的更快的邊沿速率切換高電壓。

邁向可靠的電動汽車未來

駕駛員將繼續(xù)要求車輛排放更低，續(xù)航里程更長，安全性和可靠性更高，并且通常以更少的錢獲得更多功能。只有電力電子技術的進步才能使電動汽車的這些需求成為可能，包括電源架構(gòu)及其相關的隔離式柵極驅(qū)動器和偏置電源的創(chuàng)新。

向分布式電源架構(gòu)的轉(zhuǎn)變大大提高了隔離式高壓環(huán)境中的可靠性，但也帶來了附加組件增加尺寸和重量的挑戰(zhàn)。完全集成的電源解決方案，如 UCC14240-Q1 偏置電源模塊，可在高頻下切換，可節(jié)省系統(tǒng)級空間和重量。

審核編輯 黃昊宇