利用分布式架构驱动下一代电动汽车系统

电动汽车 （EV） 和混合动力电动汽车 （HEV） 正在发生变化，其中的电子设备也在发生变化。越来越多的电子设备在这些车辆的整体形式和功能中起着重要作用。然而，司机并没有改变;他们仍然希望他们的电动汽车和混合动力汽车能够不停地行驶得更远，变得更实惠，充电更快，并确保它们的安全。但是，设计师如何才能以更少的价格给予它们更多？

随着对安全性、功率密度和电磁干扰 （EMI） 的要求越来越严格，出现了不同的电源架构来应对这些挑战，包括为每个关键负载提供单独偏置电源的分布式电源架构。

电动汽车中的传统偏置电源架构

汽车设计工程师可以根据电动汽车的电源要求为某些电源架构设计方案。图1所示的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为所有栅极驱动器产生偏置电压。

图 1：HEV/EV 牵引逆变器中的集中式架构

集中式架构因其低成本而历来是一种流行的解决方案，但这种架构可能使管理故障和调节电压变得困难，并且布局具有挑战性。集中式架构也可能受到更多噪声的影响，并且在系统的一个区域中具有高而重的组件。

最后，随着可靠性和安全性成为重中之重，集中式架构的电源缺乏冗余，如果偏置电源中的单个组件发生故障，可能会导致大型系统故障。实施分布式架构以防止电源故障将实现可靠的系统。

通过分布式架构实现高可靠性

如果当汽车以 65 英里/小时的速度行驶时，牵引变频电机中的小型电子元件出现故障，没有人希望车辆突然完全停止或失去发动机动力。动力总成内的冗余和备用电源已成为确保安全性和可靠性的常态。

分布式电源架构通过为每个栅极驱动器分配一个专用的、本地的、调节良好的偏置电源来满足电动汽车环境的可靠性标准。此体系结构提供冗余并改进系统对单点故障的反应方式。例如，如果一个与栅极驱动器配对的偏置电源发生故障，则其他五个偏置电源保持工作状态，其配对的栅极驱动器也是如此。如果六个栅极驱动器中的五个保持运行，电机可以以良好控制的方式减速和关闭，或者可能无限期地继续运行。车内的乘客甚至可能没有意识到这种动力系统设计的干扰。

反激式和推挽式控制器等外部变压器偏置电源的高度、重量和面积较大，因此无法在轻量化电子设备中使用分布式架构。电动汽车电源系统需要更先进的技术 – 更小的集成变压器模块，例如 UCC14240-Q1 隔离式 DC/DC 偏置电源模块，它将变压器和组件集成到一个具有低高度平面磁性元件的优化模块解决方案中。

将平面变压器集成到集成电路尺寸的封装中，可以大幅减小电力系统的尺寸、高度和重量。UCC14240-Q1 集成了变压器和隔离，易于控制和低初级到次级电容，提高了密集和快速开关应用中的共模瞬变抗扰度 （CMTI）。将初级侧和次级侧控制与隔离完全集成，可在一个器件中实现稳压±1.3% 隔离式 DC/DC 偏置电源。UCC14240-Q1 可实现 1.5 W 的输出功率（甚至高达 105°C），可为分布式架构中的栅极驱动器供电，如图 2 所示。

图 2：使用 UCC14240-Q1 的 EV/HEV 牵引逆变器中的分布式架构

在分布式架构中驱动动力总成系统的其他注意事项

电动汽车需要高标准的可靠性和安全性，而这一要求渗透到各个电源转换电子设备。组件必须在 125°C 及以上的环境温度下以受控且经过验证的方式运行。隔离式栅极驱动器是“智能”的，包括多种安全和诊断功能。为系统中的栅极驱动器和其他电子器件供电的低功耗偏置电源也需要改进，包括实现低EMI的方法。通过利用 TI 的集成变压器技术和 3.5pF 的低初级到次级电容变压器，UCC14240-Q1 可以减轻高速开关引起的 EMI，并轻松实现超过 150V/ns 的 CMTI。

在分布式架构中，偏置电源靠近隔离式栅极驱动器，可确保更简单的印刷电路板布局，并更好地调节为栅极驱动器供电的电压，最终驱动电源开关的栅极。这些因素提高了牵引逆变器的效率和可靠性，牵引逆变器通常可以在 100 kW 至 500 kW 的功率下运行。这些大功率系统需要最高的效率，以确保最小的热损失，因为热应力是组件故障的罪魁祸首之一。

随着这些电动汽车电源系统转向更高的功率，是时候考虑碳化硅和氮化镓电源开关，以实现更小、更高效的电源。这两种半导体技术都有若干优点，但需要比成熟的传统绝缘栅双极晶体管更严格调节的栅极驱动器电压。它们还需要在安全隔离栅上提供低电容和高CMTI的元件，因为它们以比以前认为的更快的边沿速率切换高电压。

迈向可靠的电动汽车未来

驾驶员将继续要求车辆排放更低，续航里程更长，安全性和可靠性更高，并且通常以更少的钱获得更多功能。只有电力电子技术的进步才能使电动汽车的这些需求成为可能，包括电源架构及其相关的隔离式栅极驱动器和偏置电源的创新。

向分布式电源架构的转变大大提高了隔离式高压环境中的可靠性，但也带来了附加组件增加尺寸和重量的挑战。完全集成的电源解决方案，如 UCC14240-Q1 偏置电源模块，可在高频下切换，可节省系统级空间和重量。

审核编辑 黄昊宇