电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)都在不断发展，其中的电子设备也在不断变化。越来越多的电子设备在这些车辆的整体结构和功能中发挥着重要作用。然而，司机并没有改变。他们还是希望自己的电动汽车和混合动力汽车能行驶的更远更顺畅，更经济，充电更快，保证安全。那么设计师如何以更低的成本为他们提供更多的服务呢？
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独立偏置电源的分布式电源架构。
电动汽车中的传统电源架构
汽车设计工程师可以根据电动汽车的功率需求，对一些电源架构进行方案设计。图1所示的传统方法是集中式电源架构，使用中央变压器和偏置控制器为所有栅极驱动器产生偏置电压。
图1:混合动力电动汽车/电动汽车牵引逆变器的集中式架构
集中式架构由于成本低，一直很受欢迎，但可能难以管理故障和调节电压，布局具有挑战性。集中式架构也容易受到更多噪声的影响，并且系统区域中的组件又高又重。
最后，随着可靠性和安全性成为最重要的因素，集中式架构的电源缺乏冗余。如果偏置电源中的单个组件出现故障，可能会导致大规模的系统故障。部署分布式体系结构可以防止电源故障，从而创建更可靠的系统。
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，牵引逆变器电机中的一个小电子元件发生故障，没有人希望汽车突然发生故障或完全停止。动力系统中的安全冗余和备用电源已成为确保安全性和可靠性的标准。
分布式电源架构可以为每个栅极驱动器分配专用的、本地的、易于调节的偏置电源，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，提高系统对单点故障的响应能力。例如，如果与栅极驱动器匹配的一个偏置电源出现故障，其他五个偏置电源及其匹配的栅极驱动器仍然可以正常工作。如果六个栅极驱动器中的五个仍然可以正常工作，则电机可以以良好控制的方式减速和关闭，或者它可以继续工作。采用这种动力系统设计，车内乘客甚至不会意识到有问题。
外部变压器偏置电源(如反激式和推挽式控制器)非常高、笨重且占用面积大，阻碍了分布式架构在轻型电子设备中的使用。电动汽车的供电系统需要更先进的器件，即更小的集成变压器模块，如UCC14240-Q1隔离DC/DC偏置电源模块，可以将变压器和元件集成为一个优化的平面磁性元件模块解决方案，高度较低。
将平面变压器集成到集成电路尺寸的封装中可以大大减小电源系统的尺寸、高度和重量。UCC14240-Q1集成了变压器和隔离，可以提供简单的控制和低初级-次级电容，并提高密集和快速开关应用中的共模瞬变抗扰度(CMTI)。通过完全集成原边和副边的控制和隔离，可以在一个器件中实现稳定的1.3%隔离DC/DC偏置电源。通过实现1.5W的输出功率，即使在高达105°C的温度下，UCC14240-Q1也能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的电动/混合动力汽车牵引逆变器的分布式架构。
在分布式架构中驱动动力系统的其他考虑
电动汽车需要高标准的可靠性和安全性，这一要求将渗透到所有的功率转换电子设备中。部件必须在125°C及以上的环境温度下以受控和验证的方式运行。隔离gat……驾驶员需要“智能”，包括许多安全和诊断功能。用于向系统中的栅极驱动器和其他电子器件供电的低功率偏置电源也需要改进，包括实现低EMI。UCC14240-Q1利用TI的集成变压器技术，结合3.5pF主副边电容变压器的使用，可以降低高速开关产生的EMI，轻松实现超过150V/ns的CMTI。
在分布式架构中，偏置电源接近隔离的栅极驱动器，可以使印刷电路板的布局和布线更加简单，并且可以更好地调整向栅极驱动器供电的电压，最终驱动功率开关的栅极。这些因素可以提高牵引逆变器的效率和可靠性，通常使其运行在100kW至500kW。这些高功率系统需要更高的效率来确保更少的热损失，因为热应力是组件故障的主要原因之一。
随着这些电动汽车电源系统对功率的需求不断增加，是时候考虑使用碳化硅和氮化镓功率开关来实现更小、更高效的电源了。这两种半导体技术各有一些优点，但需要比成熟的传统绝缘栅双极晶体管更严格地调节栅极驱动电压。他们还需要在安全隔离栅上提供低电容和高CMTI的元件，因为它们切换高压的速度比以前想象的要快。
电动汽车未来将朝着可靠性更高、行驶距离更长的方向发展。
司机将继续期待以更低的价格购买排放量更低、续航里程更长、安全性和可靠性更高、功能更多的汽车。只有电力电子技术的不断进步才能满足电动汽车的这些要求，包括电源架构及其相关的隔离栅极驱动器和偏置电源的创新。
切换到分布式电源架构大大提高了隔离高压环境中的可靠性，但挑战在于额外的元件将导致对重量和尺寸的更高要求。完全集成的电源解决方案(如高频开关的UCC14240-Q1偏置电源模块)可以节省系统级空间，实现轻量化。电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)都在不断发展，其中的电子设备也在不断变化。越来越多的电子设备在这些车辆的整体结构和功能中发挥着重要作用。然而，司机并没有改变。他们还是希望自己的电动汽车和混合动力汽车能行驶的更远更顺畅，更经济，充电更快，保证安全。那么设计师如何以更低的成本为他们提供更多的服务呢？
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独立偏置电源的分布式电源架构。
电动汽车中的传统电源架构
汽车设计工程师可以根据电动汽车的功率需求，对一些电源架构进行方案设计。图1所示的传统方法是集中式电源架构，使用中央变压器和偏置控制器为所有栅极驱动器产生偏置电压。
图1:混合动力电动汽车/电动汽车牵引逆变器的集中式架构
集中式架构由于成本低，一直很受欢迎，但可能难以管理故障和调节电压，布局具有挑战性。集中式架构也容易受到更多噪声的影响，并且系统区域中的组件又高又重。
最后，随着可靠性和安全性成为最重要的因素，集中式架构的电源缺乏冗余。如果偏置电源中的单个组件出现故障，可能会导致大规模的系统故障。部署分布式体系结构可以防止电源故障，从而创建更可靠的系统。
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，牵引逆变器电机中的一个小电子元件发生故障，没有人希望汽车突然发生故障或完全停止。动力系统中的安全冗余和备用电源已成为确保安全性和可靠性的标准可靠性。
分布式电源架构可以为每个栅极驱动器分配专用的、本地的、易于调节的偏置电源，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，提高系统对单点故障的响应能力。例如，如果与栅极驱动器匹配的一个偏置电源出现故障，其他五个偏置电源及其匹配的栅极驱动器仍然可以正常工作。如果六个栅极驱动器中的五个仍然可以正常工作，则电机可以以良好控制的方式减速和关闭，或者它可以继续工作。采用这种动力系统设计，车内乘客甚至不会意识到有问题。
外部变压器偏置电源(如反激式和推挽式控制器)非常高、笨重且占用面积大，阻碍了分布式架构在轻型电子设备中的使用。电动汽车的供电系统需要更先进的器件，即更小的集成变压器模块，如UCC14240-Q1隔离DC/DC偏置电源模块，可以将变压器和元器件集成为一个优化的平面磁性元器件模块解决方案，高度较低。
将平面变压器集成到集成电路尺寸的封装中可以大大减小电源系统的尺寸、高度和重量。UCC14240-Q1集成了变压器和隔离，可以提供简单的控制和低初级-次级电容，并提高密集和快速开关应用中的共模瞬变抗扰度(CMTI)。通过完全集成原边和副边的控制和隔离，可以在一个器件中实现稳定的1.3%隔离DC/DC偏置电源。通过实现1.5W的输出功率，即使在高达105°C的温度下，UCC14240-Q1也能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的电动/混合动力汽车牵引逆变器的分布式架构。
在分布式架构中驱动动力系统的其他考虑
电动汽车需要高标准的可靠性和安全性，这一要求将渗透到所有的功率转换电子设备中。部件必须在125°C及以上的环境温度下以受控和验证的方式运行。隔离栅极驱动器需要“智能”，包括许多安全和诊断功能。用于向系统中的栅极驱动器和其他电子器件供电的低功率偏置电源也需要改进，包括实现低EMI。UCC14240-Q1利用TI的集成变压器技术，结合3.5pF主副边电容变压器的使用，可以降低高速开关产生的EMI，轻松实现超过150V/ns的CMTI。
在分布式架构中，偏置电源接近隔离的栅极驱动器，可以使印刷电路板的布局和布线更加简单，并且可以更好地调整向栅极驱动器供电的电压，最终驱动功率开关的栅极。这些因素可以提高牵引逆变器的效率和可靠性，通常使其运行在100kW至500kW。这些高功率系统需要更高的效率来确保更少的热损失，因为热应力是组件故障的主要原因之一。
随着这些电动汽车电源系统对功率的需求不断增加，是时候考虑使用碳化硅和氮化镓功率开关来实现更小、更高效的电源了。这两种半导体技术各有一些优点，但需要比成熟的传统绝缘栅双极晶体管更严格地调节栅极驱动电压。他们还需要在安全隔离栅上提供低电容和高CMTI的元件，因为它们切换高压的速度比以前想象的要快。
电动汽车未来将朝着可靠性更高、行驶距离更长的方向发展。
司机将继续期待以更低的价格购买排放量更低、续航里程更长、安全性和可靠性更高、功能更多的汽车。只有电力电子技术的不断进步才能满足电动汽车的这些要求，包括电源架构及其相关的隔离栅极驱动器和偏置电源的创新。
切换到分布式电源架构大大提高了隔离高压环境中的可靠性，但挑战在于额外的元件将导致对重量和尺寸的更高要求。完全集成的电源解决方案(如UCC14240-Q1偏置电源……高频开关的upply模块)可以节省系统级空间，实现轻量化。
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