2021年10月08日 | 电动汽车电源架构向分布式转换，隔离偏置电源将如何应对

汽车行业正在向电动汽车过渡，预计到2025 年，将有多达30%的新车销售为电动汽车。解决续航里程和充电焦虑将是电动汽车发展的关键，随着电池容量的提升，快速充电站的普及，如今500公里续航的电动车已经可以接近一般燃油车的驾驶体验了。

电动汽车的进一步挑战将包含成本因素，作为电动汽车最重要的组成部分——电池的售价正在不断降低。同时，电动汽车中的其他部分也需要进一步降低成本，从而加速电动车的普及。

“TI的目标是降低汽车制造商的生产成本和消费者的购买价格。TI的技术和专业知识可以帮助客户集成动力系统，以降低成本、简化设计、提高功能安全和增强可靠性。动力系统集成还能够通过在更小的解决方案中实现更高的功率来扩展驱动范围，提高系统效率，并提高功率密度。”德州仪器汽车系统工程与市场营销部门总监Ryan Manack表示。

TI专注于帮助OEM降低总成本，并缩短原始设备制造商 (OEM) 的盈利周期。如今，TI针对电动汽车所推崇的理念是按成本设计 (DTC design to cost)，它专注于动力总成集成，即电力电子组件放置得更紧密，减少组件数量，并将它们集成到更少的盒子中。

Ryan以日前TI推出的隔离偏置电源为例，介绍了TI DTC概念的具体落地。

从隔离说开

电动汽车动力总成系统包含了高压电路、数字控制通信等不同总线，因此为了确保安全性以及信号的高可靠性，需要使用大量的隔离器件应用于数字接口，又或者是高压与低压之间的隔离电源。

为了实现高集成的隔离，TI开发了两种集成技术，一种是使用SIO2进行隔离，应用在数字通道中。另外一种则是集成超薄变压器，这两种技术都已成功商用，其中SiO2技术应用于包括数字隔离器、隔离式接口、隔离放大器、隔离式栅极驱动器、隔离式ADC等市场，集成变压器技术应用于隔离式DC/DC模块及集成电源的信号隔离器中。

TI的隔离技术现已广泛应用于包括数字隔离器、隔离电源、隔离接口、隔离ADC、隔离放大器以及隔离栅极驱动等市场，并满足车规及工业应用中的不同需求，并且可提供包括基本型（3kVRMS）和增强型（5kVRMS）在内的不同隔离等级的产品。

以牵引逆变器为例，有众多涉及到隔离的子系统

电动汽车电源架构正在发生变化

随着对安全性、功率密度和电磁干扰(EMI)的要求越来越严格，涌现了不同的电源架构来应对这些挑战，为每个关键负载配备独立偏置电源的分布式电源架构就是其中之一。

传统方法是集中式电源架构，它使用一个中央变压器和一个偏置控制器来为所有栅极驱动器生成偏置电压。

混合动力电动汽车/电动汽车不同类型的驱动器电源架构

集中式架构成本较低，因而这种解决方案历来广受欢迎，但该架构难以管理故障和调节电压，而且布局具有挑战性。集中式架构也容易受到更多噪声的影响，并且一个系统区域内的元件又高又重。同时，集中式架构的电源缺乏冗余，如果偏置电源中的单个元件出现故障，则可能导致大型系统故障。

分布式架构具有更高的可靠性和安全性，可为每个栅极驱动器分配一个与其靠近的专用的、本地的、方便调节的偏置电源，以满足电动汽车应用环境中的可靠性要求，因此可以提供冗余并提高系统对单点故障的反应能力。例如，如果与栅极驱动器配套的其中一个偏置电源失效，其他五个偏置电源及其配套的栅极驱动器仍可正常运行。如果六个栅极驱动器中有五个仍可正常运行，电机便能以良好的控制方式减速和关闭，或者可能继续运行。使用这种电源系统设计，车辆中的乘客甚至都不会意识到出现问题。

另外也有半分布式架构介于二者之间。

也正是由于分布式架构具有更多的隔离偏置电源，因此成本、设计难度等与传统集中式架构完全不同。

生成隔离式电源的传统方法是在反激式、Fly-Buck 或推挽式拓扑中使用直流/直流转换器来驱动变压器。次级侧的脉动信号经整流和滤波后生成隔离式直流电源。基于光耦合器的初级侧反馈实现了线路和负载调节。在某些情况下，当直流/直流转换器以开环配置运行时，LDO 用于对转换器的输出进行后置调节。这种分立式方法的缺点是，完整的解决方案（变压器和其它组件）在电路板上占用了大量的空间。此外，设计一个稳定且高效的隔离式电源也具有挑战性。

TI的解决方案是将直流/直流转换器与微型变压器集成在一个封装中。通过此类解决方案解决了系统工程师面临的几个设计难题，可以大幅度减少电路板面积：集成式解决方案的第一个优势是减少了电路板面积。功率级、变压器、整流二极管、隔离反馈（有时还包括数字化数据隔离通道）都被集成在同一器件中，因此解决方案的尺寸显著减小。除了减小表面积之外，使用平面变压器还可使集成式解决方案的 z 维度（高度）比分立式变压器更低，分立式变压器的厚度会是平面变压器的两到三倍。同时，高度集成还提供了简洁而可靠的设计，集成式解决方案使系统设计变得更加简单，因为用户可在芯片上集成线路/负载调节的反馈和电源的所有保护机制（如过载和短路保护、热关断和软启动）。带有笨重变压器的电路板在振动测试中表现不佳，尤其是针对汽车系统来说，复杂的振动与冲击环境可能会引起变压器的脱落或虚焊。因此，集成式解决方案还有助于提高板级可靠性。

TI的平面高集成变压器技术，可实现诸多优势

1.5W隔离偏置电源IC

集成变压器由于尺寸受限，一般只提供较小的功率。而TI新推出的尺寸更小、精度更高的隔离式直流/直流偏置电源IC UCC14240-Q1，可提供高达1.5W的功率。集成了具有专有架构的变压器和直流/直流控制器，可实现较高的效率和极低的辐射，隔离性能为3000-VRMS。

UCC14240-Q1厚度为3.55mm，尺寸小巧，因此设计人员可以将电源解决方案的体积减小一半，用一半的尺寸支持更大的电量。薄型设计也支持将模块安装在印刷电路板的任意一侧，为工程师带来充分的灵活性。

这款双路输出电源模块的效率为60%，比传统的偏置电源高一倍，这使得功率密度翻倍，而且有助于提高汽车行驶里程。在105°C的环境温度下，UCC14240-Q1的功率超过1.5W，支持工程师在高频率下驱动绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 开关。

该模块集成片上设备保护，该器件全面集成了软启动保护，故障监控、过流保护、过功率保护和过热保护。还提供了一个专用的电源引脚，可使MCU感知输出调节。该引脚还可为系统提供故障报警。

UCC14240-Q1结合使用3.5pF的初级到次级电容，可降低高速开关产生的EMI，并轻松实现超过150V/ns的共模瞬态抗扰度 (CMTI) 性能，这对于高频率的SiC和GaN应用尤为重要。

UCC14240-Q1具有软开关、展频调制、屏蔽和低寄生等特性，使设计更容易满足国际无线电干扰特别委员会(CISPR)25和CISPR 32电磁兼容性标准，从而加快产品上市时间，同时软开关可以减少死区时间从而提高系统效率。

UCC14240-Q1示意图

UCC14240-Q1采用集成闭环控制，在-40°C至150°C内可实现±1.0%的精度。与硅IGBT相比，SiC MOSFET输出特性曲线的线性区及饱和区没有明显过渡，发生短路或过流时电流上升仍然很快，这就意味着保护电路需要更快的响应速度来进行保护。针对SiC MOSFET的短路保护需求，需要选择检测速度快，响应时间短的芯片进行保护电路设计。此外，根据IGBT的设计经验，每次开通时，需求设定一段消隐时间来避免由于开通前期的Vce电压从高位下降所导致的DSAET误触发。消隐时间的需要，又对本只有3us的SiC MOSFET的短路保护电路设计提出更严苛的挑战，需要驱动芯片的DESAT相关参数具有更高的精度，以实现有效的保护设计。同时，也需要更优化的驱动电路的PCB设计，保证更小的环路寄生电感的影响。

由于不同类型的驱动需要不同的开通和关断电压等级，因此UCC14240-Q1具有灵活的VDD和VEE输出，可以根据产品需求进行调节。

如图所示，不同场景中的输出电压及功率不同，丰富的调节功能可以满足所有驱动器应用，从而实现设计灵活性。

除了在汽车中，包括智能电网（如直流充电桩）、工业机器人等对隔离和可靠性要求较高、同时又对PCB面积要求严苛的领域，其逆变器偏置电源都可以采用UCC14240-Q1。

此外，TI还推出具有单输出集成变压器的500mW 5kVrms 隔离式直流/直流IC UCC12051-Q1，同样可以实现高隔离性，低EMI等特性。

其他隔离电源解决方案

无论是具有外部电源开关的控制器、将一个控制器与多个电源开关集成的转换器，还是将多个控制器、电源开关和变压器集成为一体的电源模块，都有许多可提供隔离式偏置电源的解决方案。从而满足不同功率等级，不同拓扑在内的需求。

如图所示，推挽式、Fly-Buck、半桥及LLC等拓扑形式均可以实现隔离电源，但LLC可以采用更小的初级到次级电容，并且效率更高，成本更低且CMTI性能更好，EMI性能也更好，因此非常适合集中式的隔离电源。

TI的UCC25800-Q1用于隔离式偏置电源的开环 LLC 变压器驱动器，集成了开关功率级、控制和保护电路，以简化隔离偏置电源设计。LLC拓扑允许设计使用漏感更高但寄生一次到二次电容更小的变压器。这种低电容变压器设计使通过偏置变压器的共模电流注入降低了一个数量级。这使得UCC25800-Q1成为各种汽车应用中隔离偏置电源的理想解决方案，以最大限度地降低由高速开关设备引起的EMI噪声。UCC25800-Q1采用软开关操作，以进一步降低EMI噪声。

针对集中式、半分布式以及分布式架构不同的偏置电源解决方案

写在最后

消费者永远希望以更低价格购买排放量更低、续航里程更长、安全性和可靠性更高且功能更多的车辆。只有电力电子技术不断进步，才能满足电动汽车OEM的不断严苛的需求，包括电源架构的创新及其相关的隔离式栅极驱动器和偏置电源。

改用分布式电源架构大大提高了在隔离式高压环境中的可靠性，但面临的挑战是额外的元件会导致对重量和尺寸的要求更高。完全集成的电源解决方案可以节省系统级空间并实现轻量化。OEM可以灵活选择。也正因此，隔离式电源可以有不同选择，但需要了解输出数量、调节要求、输出功率、隔离等级、工作温度和输入电压范围等系统级规格。为此，工程师可以根据具体隔离电源应用要求，从而选择出成本更低、可满足所有系统要求的解决方案。

除了满足分布式架构的隔离电源UCC14240-Q1之外，TI还提供其他隔离拓扑应用的控制器，无论是效率、EMI、CMTI、集成度、可靠性等方面都处于业界一流水平，并且真正从DTC角度出发，通过更具性价比的产品和方案，满足客户的不同需求。