到 2025 年，預(yù)計(jì)將有30%的新車為電動(dòng)汽車。當(dāng)下，阻礙電動(dòng)車發(fā)展的最大挑戰(zhàn)是成本和電池續(xù)航水平，眾多汽車零部件和芯片廠商都在想方設(shè)法解決這兩大難題。隨著越來(lái)越多的公司接受電動(dòng)汽車并對(duì)其技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，價(jià)格將持續(xù)下降，同時(shí)，行駛里程也在增加。由于行駛里程和充電站數(shù)量的增加，越來(lái)越多的消費(fèi)者傾向于購(gòu)買(mǎi)電動(dòng)汽車。

　　電動(dòng)汽車的核心是電池和電機(jī)。控制電機(jī)需要先進(jìn)的電子器件，以確保平穩(wěn)安全的行駛。在各種器件中，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉IGBT或SiC MOSFET等器件來(lái)控制電流。同時(shí)，這些隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器需要合適的偏置電源來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的控制。

　　工廠自動(dòng)化和機(jī)器人等應(yīng)用中的傳統(tǒng)電機(jī)控制使用具有多個(gè)輸出繞組的集中式電源為隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器提供電壓，而汽車對(duì)安全和冗余的嚴(yán)格要求以及追求更輕重量的趨勢(shì)變得更加重要，這就需要先進(jìn)的分布式系統(tǒng)，而傳統(tǒng)具有外部變壓器的偏置電源（如反激式和推挽式控制器）的高度、重量和面積阻礙了其在輕量級(jí)電子產(chǎn)品中使用分布式架構(gòu)。電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)需要采用更先進(jìn)且體積更小的集成式變壓器模塊。

　　分布式系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)眾多。傳統(tǒng)系統(tǒng)使用單一變壓器為各個(gè)組件供電，這給現(xiàn)實(shí)應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。一是單一變壓器體積大、成本高，并且占據(jù)相當(dāng)大的空間，且在結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制方面表現(xiàn)不佳。此外，一旦該變壓器或電源出現(xiàn)問(wèn)題，整個(gè)系統(tǒng)亦會(huì)癱瘓。而在分布式系統(tǒng)中，如果某個(gè)偏置電源或柵極驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)故障，其余五個(gè)偏置電源仍在工作，汽車也將進(jìn)入安全模式，自動(dòng)停靠在路邊等待下一步操作。分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了體積更小、重量更輕，抗振性更佳的優(yōu)點(diǎn)。

　　具有頂尖水平的芯片廠商正在進(jìn)行這方面的研發(fā)工作，目標(biāo)是幫助客戶集成動(dòng)力系統(tǒng)，以降低成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高功能安全和增強(qiáng)可靠性。動(dòng)力系統(tǒng)集成還能夠通過(guò)在更小的解決方案中實(shí)現(xiàn)更高的功率來(lái)擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)范圍，提高系統(tǒng)效率和功率密度。

　　德州儀器（TI）在這方面的技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平，據(jù)該公司汽車系統(tǒng)工程與市場(chǎng)營(yíng)銷部門(mén)總監(jiān)Ryan Manack先生介紹，其專有集成變壓器技術(shù)的最新器件UCC14240-Q1有助于實(shí)現(xiàn)半分布式和分布式電源架構(gòu)。UCC14240-Q1是一款占位面積小、精確度高的1.5W隔離式DC/DC電源模塊，它可以將性能和功率密度提高到一個(gè)新的水平。

　　下面就與傳統(tǒng)推挽轉(zhuǎn)換器方面做一個(gè)對(duì)比，如下圖所示，反激式和推挽式轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率通常為550kHz及以下。這種較低的開(kāi)關(guān)頻率，導(dǎo)致變壓器相對(duì)較大。在本例中，額定電壓的有效值為2000VRMS的推挽變壓器使用12mm×15mm的封裝面積和11mm的高度。TI的集成變壓器技術(shù)為系統(tǒng)帶來(lái)了明顯的尺寸效益。變壓器集成在電路板內(nèi)部，使解決方案與傳統(tǒng)方案相比，高度降低至3.55mm。

　　UCC14240-Q1解決方案的額定絕緣電壓更高，為3000VRMS。該款產(chǎn)品的絕緣性能經(jīng)由100%的生產(chǎn)測(cè)試和獨(dú)立的第三方認(rèn)證。

　　UCC14240-Q1優(yōu)化的不僅僅是尺寸，還有系統(tǒng)集成。推挽和反激式變壓器需要幾個(gè)分立元件來(lái)構(gòu)建電路，包括整流器、緩沖器和電壓調(diào)節(jié)器。TI的集成設(shè)計(jì)將這些功能融入到電路板中，消除了對(duì)復(fù)雜外部組件的需求。只需安裝一個(gè)去耦電容和電壓+電流設(shè)置電阻即可使用。不再需要反激式和推挽式電路中常見(jiàn)的平衡漏感和一到兩個(gè)電容的變壓器設(shè)計(jì)，可將外部組件數(shù)量縮減超過(guò)60%。

　　下圖所示為UCC14240-Q1在HEV/EV牽引逆變器中的應(yīng)用，牽引逆變器使用三相來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。TI的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器（如UCC5870-Q1）用于驅(qū)動(dòng)半橋開(kāi)關(guān)。圖右半部分顯示的UCC14240-Q1可用于一個(gè)完全分布式系統(tǒng)的每個(gè)隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。

　　在一些系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)蛡?cè)共享相同的電位時(shí)，一個(gè)UCC14240-Q1可能就足夠了，這被稱為半分布式供電系統(tǒng)。

　　除了以上介紹的，這個(gè)模塊還有很多功能。例如，它的一個(gè)重要特點(diǎn)是其初級(jí)到次級(jí)電容非常低，僅為3.5pF。反激式和推挽式電路中常用的變壓器存在初級(jí)到次級(jí)電容的問(wèn)題，大概從10pF到35pF，因?yàn)樗鼈儽仨毾拗齐娐分械穆└胁⒗@組推得更近。TI的集成變壓器技術(shù)限制了這種電容，當(dāng)與軟開(kāi)關(guān)控制方案結(jié)合使用時(shí)，可以限制EMI。而且，這種低電容對(duì)于支持 SiC 和 GaN 等快速開(kāi)關(guān)應(yīng)用至關(guān)重要，它們可以支持高達(dá)150伏每納秒的壓擺率。

　　在功率系統(tǒng)中，SiC和GaN是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，它們的柵極電壓都需要具有小于1%的精度以確保最高效率。UCC14240-Q1不僅提供正負(fù)輸出用于優(yōu)化開(kāi)關(guān)，還具有閉環(huán)調(diào)節(jié)功能，能夠在-40℃到150℃的汽車溫度范圍內(nèi)將兩個(gè)輸出電壓調(diào)節(jié)到1%的精度范圍以內(nèi)。

　　另外，UCC14240-Q1引腳可用于支持電源排序，它有一個(gè)專用的電源引腳，可為系統(tǒng)提供故障報(bào)警。為確保平穩(wěn)上電，它還具有軟啟動(dòng)保護(hù)，過(guò)功率及過(guò)溫保護(hù)功能。

　　UCC14240-Q1解決方案可以用于電路板的頂部和底部，具有很好的應(yīng)用靈活性。