電動汽車 （EV） 和混合動力電動汽車 （HEV） 正在發生變化，其中的電子設備也在發生變化。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;他們仍然希望他們的電動汽車和混合動力汽車能夠不停地行駛得更遠，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，出現了不同的電源架構來應對這些挑戰，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。

電動汽車中的傳統偏置電源架構

汽車設計工程師可以根據電動汽車的電源要求為某些電源架構設計方案。圖1所示的傳統方法是集中式電源架構，它使用一個中央變壓器和一個偏置控制器為所有柵極驅動器產生偏置電壓。

圖 1：HEV/EV 牽引逆變器中的集中式架構

集中式架構因其低成本而歷來是一種流行的解決方案，但這種架構可能使管理故障和調節電壓變得困難，并且布局具有挑戰性。集中式架構也可能受到更多噪聲的影響，并且在系統的一個區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，集中式架構的電源缺乏冗余，如果偏置電源中的單個組件發生故障，可能會導致大型系統故障。實施分布式架構以防止電源故障將實現可靠的系統。

通過分布式架構實現高可靠性

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故障，沒有人希望車輛突然完全停止或失去發動機動力。動力總成內的冗余和備用電源已成為確保安全性和可靠性的常態。

分布式電源架構通過為每個柵極驅動器分配一個專用的、本地的、調節良好的偏置電源來滿足電動汽車環境的可靠性標準。此體系結構提供冗余并改進系統對單點故障的反應方式。例如，如果一個與柵極驅動器配對的偏置電源發生故障，則其他五個偏置電源保持工作狀態，其配對的柵極驅動器也是如此。如果六個柵極驅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運行。車內的乘客甚至可能沒有意識到這種動力系統設計的干擾。

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。電動汽車電源系統需要更先進的技術 – 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）。將初級側和次級側控制與隔離完全集成，可在一個器件中實現穩壓±1.3% 隔離式 DC/DC 偏置電源。UCC14240-Q1 可實現 1.5 W 的輸出功率（甚至高達 105°C），可為分布式架構中的柵極驅動器供電，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

在分布式架構中驅動動力總成系統的其他注意事項

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換電子設備。組件必須在 125°C 及以上的環境溫度下以受控且經過驗證的方式運行。隔離式柵極驅動器是“智能”的，包括多種安全和診斷功能。為系統中的柵極驅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，并輕松實現超過 150V/ns 的 CMTI。

在分布式架構中，偏置電源靠近隔離式柵極驅動器，可確保更簡單的印刷電路板布局，并更好地調節為柵極驅動器供電的電壓，最終驅動電源開關的柵極。這些因素提高了牽引逆變器的效率和可靠性，牽引逆變器通常可以在 100 kW 至 500 kW 的功率下運行。這些大功率系統需要最高的效率，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轉向更高的功率，是時候考慮碳化硅和氮化鎵電源開關，以實現更小、更高效的電源。這兩種半導體技術都有若干優點，但需要比成熟的傳統絕緣柵雙極晶體管更嚴格調節的柵極驅動器電壓。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

駕駛員將繼續要求車輛排放更低，續航里程更長，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，包括電源架構及其相關的隔離式柵極驅動器和偏置電源的創新。

向分布式電源架構的轉變大大提高了隔離式高壓環境中的可靠性，但也帶來了附加組件增加尺寸和重量的挑戰。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，可節省系統級空間和重量。

審核編輯 黃昊宇