如何通過分布式架構(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） 正在不斷演進(jìn)，其中的電子設(shè)備同樣也在發(fā)生變化。在這些車輛的整體構(gòu)造和功能方面，越來越多的電子設(shè)備發(fā)揮著重要作用。但是，司機(jī)并沒有改變。他們?nèi)匀幌Ｍ约旱碾妱悠嚭突旌蟿恿﹄妱悠嚹軌蝽樌匦旭偢h(yuǎn)，變得更經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，充電速度更快，并確保他們的安全。那么設(shè)計(jì)人員如何才能以更低的成本為他們提供更多服務(wù)？

隨著對安全性、功率密度和電磁干擾 （EMI） 的要求越來越嚴(yán)格，涌現(xiàn)了不同的電源架構(gòu)來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，包括為每個關(guān)鍵負(fù)載配備獨(dú)立偏置電源的分布式電源架構(gòu)。

電動汽車中的傳統(tǒng)電源架構(gòu)

汽車設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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來為所有柵極驅(qū)動器生成偏置電壓。

圖 1：混合動力電動汽車/電動汽車牽引逆變器中的集中式架構(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，但這種架構(gòu)可能難以管理故障和調(diào)節(jié)電壓，而且布局具有挑戰(zhàn)性。集中式架構(gòu)也容易受到更多噪音的影響，并且一個系統(tǒng)區(qū)域內(nèi)的元件又高又重。

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元件出現(xiàn)故障，則可能導(dǎo)致大型系統(tǒng)故障。部署分布式架構(gòu)可防止電源故障，從而打造更可靠的系統(tǒng)。

通過分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)高可靠性

如果在汽車以 65 英里/小時的速度行駛時，牽引逆變器電機(jī)中的一個小型電子元件出現(xiàn)故障，大家肯定都不希望車輛突然發(fā)動機(jī)失靈或完全停止。動力總成系統(tǒng)內(nèi)的安全冗余和備用電源已成為確保安全性和可靠性的標(biāo)配。

分布式電源架構(gòu)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(yīng)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(diǎn)故障的反應(yīng)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(yùn)行。如果六個柵極驅(qū)動器中有五個仍可正常運(yùn)行，電機(jī)便能以良好的控制方式減速和關(guān)閉，或者可能繼續(xù)運(yùn)行。使用這種電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，車輛中的乘客甚至都不會意識到出現(xiàn)問題。

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(gòu)在輕型電子設(shè)備中的使用。電動汽車電源系統(tǒng)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(tǒng)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，可提供簡單控制和較低的初級到次級電容，提高密集和快速開關(guān)應(yīng)用中的共模瞬變抗擾度 （CMTI）。將初級和次級側(cè)控制與隔離完全集成，可在一個器件中實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的 ±1.3% 隔離式直流/直流偏置電源。通過實(shí)現(xiàn) 1.5W 的輸出功率，甚至在高達(dá) 105°C 的溫度下也是如此，UCC14240-Q1 可以為分布式架構(gòu)中的柵極驅(qū)動器供電，如圖 2 所示。

圖 2：使用 UCC14240-Q1 的電動/混動汽車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(xiàng)

電動汽車需要高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性和安全性，而這種要求會滲透到各個功率轉(zhuǎn)換電子設(shè)備上。元件必須以受控且經(jīng)過驗(yàn)證的方式在 125°C 及以上的環(huán)境溫度下運(yùn)行。隔離式柵極驅(qū)動器需要是“智能的”，包括多項(xiàng)安全和診斷功能。為系統(tǒng)中的柵極驅(qū)動器和其他電子設(shè)備供電的低功率偏置電源也需要改進(jìn)，包括實(shí)現(xiàn)低 EMI。UCC14240-Q1 利用 TI 的集成變壓器技術(shù)，結(jié)合使用 3.5pF 的初級到次級電容變壓器，可降低高速開關(guān)產(chǎn)生的 EMI，并輕松實(shí)現(xiàn)超過 150V/ns 的 CMTI。

偏置電源靠近分布式架構(gòu)中的隔離式柵極驅(qū)動器，可確保更簡單的印刷電路板布局布線和更好地調(diào)節(jié)為柵極驅(qū)動器供電的電壓，最終驅(qū)動電源開關(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?100kW 至 500kW 下運(yùn)行。這些高功率系統(tǒng)需要更高的效率以確保更小的熱損失，因?yàn)闊釕?yīng)力是元件故障的主要原因之一。

隨著這些電動汽車電源系統(tǒng)對功率的要求越來越高，是時候考慮使用碳化硅和氮化鎵電源開關(guān)來實(shí)現(xiàn)更小、更高效的電源了。這兩種半導(dǎo)體技術(shù)各自都有一些優(yōu)點(diǎn)，但需要比成熟的傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管更嚴(yán)格地調(diào)節(jié)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?yàn)樗鼈兦袚Q高電壓的速率比以前想象的更快。

電動汽車未來會向更高的可靠性和更遠(yuǎn)的行駛距離邁進(jìn)

駕駛員將繼續(xù)期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(jìn)步，對電動汽車的這些需求才有可能得到滿足，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(dǎo)致對重量和尺寸的要求更高。完全集成的電源解決方案（例如在高頻下開關(guān)的 UCC14240-Q1 偏置電源模塊）可以節(jié)省系統(tǒng)級空間并實(shí)現(xiàn)輕量化。

編輯：jq