分布式架構(gòu)實現(xiàn)高可靠性 驅(qū)動下一代電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)

電動汽車(EV)和混合動力電動汽車(HEV)正在不斷演進，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，變得更經(jīng)濟實惠，充電速度更快，并確保他們的安全。那么設(shè)計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)鍵負載配備獨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。

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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(shè)計，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，可在一個器件中實現(xiàn)穩(wěn)定的±1.3%隔離式直流/直流偏置電源。通過實現(xiàn)1.5W的輸出功率，甚至在高達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。

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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

電動汽車需要高標準的可靠性和安全性，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)過驗證的方式在125°C及以上的環(huán)境溫度下運行。隔離式柵極驅(qū)動器需要是“智能的”，包括多項安全和診斷功能。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，包括實現(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，通常可使其在100kW至500kW下運行。這些高功率系統(tǒng)需要更高的效率以確保更小的熱損失，因為熱應(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)來實現(xiàn)更小、更高效的電源了。這兩種半導體技術(shù)各自都有一些優(yōu)點，但需要比成熟的傳統(tǒng)絕緣柵雙極晶體管更嚴格地調(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，因為它們切換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的行駛距離邁進

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)級空間并實現(xiàn)輕量化。

其他資源

• 查看這些白皮書：
  • 《高性能集成式動力總成解決方案：電動汽車普及的關(guān)鍵》。
  • 《穿過隔離柵供電：隔離式直流/直流偏置電源的現(xiàn)狀》。
• 下載UCC14240-Q1數(shù)據(jù)表。
• 下載UCC5870-Q1數(shù)據(jù)表。
• 閱讀技術(shù)文章，《小型隔離式電源解決方案的價值》。