隨著比亞迪推出兆瓦級線充技術(shù)、車企爭相布局800V高壓平臺(tái)，新能源汽車對電源系統(tǒng)的需求從滿足基礎(chǔ)功能轉(zhuǎn)向挑戰(zhàn)性能極限。從牽引逆變器到電池管理系統(tǒng)，傳統(tǒng)低壓供電架構(gòu)的效率瓶頸、空間占用、安全冗余不足等問題也在日益凸顯，成為制約整車性能升級的關(guān)鍵因素。

近日深耕電源芯片領(lǐng)域30余年的Power Integrations（以下簡稱PI），憑借其高壓DC-DC轉(zhuǎn)換技術(shù)與平面變壓器創(chuàng)新方案，推出五款面向800V汽車應(yīng)用的全新參考設(shè)計(jì)，涵蓋16W至120W的功率水平，完美適配于汽車應(yīng)用中的DC-DC母線變換、牽引逆變器、應(yīng)急電源(EPS)、電池管理(BMS)和輔助系統(tǒng)電源等多種應(yīng)用場景。

DC-DC變換器與汽車的結(jié)合點(diǎn)

如今，新能源汽車的高速發(fā)展使得汽車對于高壓DC-DC變換的需求日益增多。為了實(shí)現(xiàn)更快速地充電，電池包的母線需要達(dá)到更高的電壓，而隨著電池包母線電壓的躍升，傳統(tǒng)基于PWM 控制器加分立功率器件的電源架構(gòu)將面臨兩大挑戰(zhàn)，一是低壓轉(zhuǎn)換帶來的能量損耗在高壓場景下被指數(shù)級放大，二是復(fù)雜的多級轉(zhuǎn)換電路擠占本已緊張的底盤空間。這就需要對高壓轉(zhuǎn)低壓的電源進(jìn)行更好地優(yōu)化。PI高壓轉(zhuǎn)低壓的DC-DC產(chǎn)品目前已應(yīng)用在汽車上的不同區(qū)域，利用PI電源芯片的優(yōu)良架構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)DC-DC控制器加單管架構(gòu)不能達(dá)到的高性能特點(diǎn)，滿足汽車上不同區(qū)域的特殊供電需求。

以牽引逆變器為例，其核心部件柵極驅(qū)動(dòng)器過去依賴12V電池供電，但新一代SiC模塊對驅(qū)動(dòng)電壓的精度與響應(yīng)速度要求更高。PI提出的解決方案是直接用高壓母線通過DC-DC轉(zhuǎn)換供電，省去中間環(huán)節(jié)，從而提升效率，減少PCB占板面積。  

在PI已量產(chǎn)的牽引逆變器方案中，應(yīng)急電源的設(shè)計(jì)尤為關(guān)鍵。當(dāng)12V低壓母線意外掉電時(shí)，系統(tǒng)需要在毫秒級的時(shí)間內(nèi)切換到應(yīng)急電源，并且持續(xù)供電。PI資深FAE王曉戈認(rèn)為，這種雙保險(xiǎn)機(jī)制不僅滿足ASIL-D功能安全等級要求，還可支持輔助駕駛系統(tǒng)在極端情況下的持續(xù)運(yùn)行。在OBC方面，現(xiàn)在通常的做法是將OBC和DC-DC做在一起，輔助電源可以通過高壓轉(zhuǎn)低壓的形式去做備份。同樣在動(dòng)力轉(zhuǎn)向方面，現(xiàn)在對電源有更多的要求，因?yàn)樵谥鲃?dòng)懸架類型的應(yīng)用中，為了滿足系統(tǒng)的大電流需求，可能需要把傳統(tǒng)的24V/48V供電慢慢切換到高壓供電，以實(shí)現(xiàn)短時(shí)間的大功率、小體積的供電。

PI的更大野心在于徹底淘汰12V鉛酸電池。通過高壓轉(zhuǎn)低壓的DC-DC自供電方案，BMS可直接從高壓母線取電，這樣既可以滿足高效率的輔助供電，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)功能安全上的備份要求。基于PI產(chǎn)品的優(yōu)秀的待機(jī)功耗特性，可以支持24小時(shí)不間斷監(jiān)控。

充分發(fā)揮InnoSwitch3-AQ的優(yōu)勢

PI進(jìn)入汽車領(lǐng)域的時(shí)間不算長，但發(fā)展非常迅速。這得益于PI高能效電源轉(zhuǎn)換的高壓模擬集成電路業(yè)界的領(lǐng)先供應(yīng)商的定位，其推出的內(nèi)部集成1700V耐壓SiC功率開關(guān)的InnoSwitch3-AQ開關(guān)電源IC可提供高達(dá)120W的輸出功率，非常適用于800V汽車應(yīng)用。新推出的五個(gè)參考設(shè)計(jì)也將InnoSwitch3-AQ的優(yōu)勢充分發(fā)揮。

PI資深FAE王曉戈表示，InnoSwitch3-AQ具有同步整流功能，單個(gè)控制器優(yōu)化同步整流時(shí)序和Fluxlink通信功能；采用寬禁帶初級開關(guān)，即使在高VDC下也能保持低開關(guān)損耗；高效率開關(guān)控制方法，在整個(gè)輸入電壓及負(fù)載范圍內(nèi)效率恒定，開關(guān)頻率和電流限流點(diǎn)隨負(fù)載變化；集成的初級電流限流點(diǎn)，降低導(dǎo)通損耗等功能。

借助InnoSwitch3-AQ的高集成功能，工程師可將電源的BOM元件數(shù)量減少一半，從而節(jié)省空間、增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性并緩解元器件采購所面臨的挑戰(zhàn)。該器件可以在漏極電壓低至30V的情況下啟動(dòng)，無需外部啟動(dòng)電路。此外，還具有包括輸入欠壓保護(hù)、輸出過壓保護(hù)和過流限制在內(nèi)的保護(hù)功能?？蛰d功耗小于15mW，無需使用光耦器，可提供超過91%的效率。

值得一提的是，5個(gè)新參考設(shè)計(jì)方案上的InnoSwitch3-AQ芯片均采用了PI的新型InSOP-28G封裝，具有5.1mm的寬漏源極引腳爬電距離，該封裝可在初級側(cè)施加1000VDC的高壓，無需噴涂三防漆，同時(shí)能夠在2級污染的環(huán)境當(dāng)中在引腳之間提供適當(dāng)?shù)呐离娋嚯x和電氣間隙。

從芯片到系統(tǒng)的“交鑰匙”方案

現(xiàn)在汽車廠商都在追求給乘客提供更大的物理空間，隨著產(chǎn)品小型化趨勢愈演愈烈，模塊在各個(gè)維度（X、Y、Z）上受到的限制越來越大，這也為工程師提供了創(chuàng)新機(jī)會(huì)。減小逆變器傳動(dòng)系統(tǒng)的尺寸40%以上就可以非常方便地實(shí)現(xiàn)四驅(qū)動(dòng)力，擴(kuò)大車內(nèi)空間，降低底盤高度?，F(xiàn)在廠家都在做新架構(gòu)的研發(fā)，這也對電源提出了在更小的尺寸空間里提供滿足功能需要的供電要求，這將能夠發(fā)揮出PI電源芯片的小體積、高性能、復(fù)雜性低的優(yōu)勢。

舉例來說，PI新推出的35W超薄型牽引逆變器門極驅(qū)動(dòng)或應(yīng)急電源，一路24V牽引逆變器柵極驅(qū)動(dòng)輸出或應(yīng)急電源輸出，RDK-994Q特性有加強(qiáng)絕緣，扁平分立變壓器設(shè)計(jì)（高度受電容限制），VIN：40–1000V，VOUT：24V，POUT：35W，尺寸為118x50x18mm，牽引逆變器柵極驅(qū)動(dòng)或應(yīng)急電源。

16W四路輸出超緊湊電源，一路為14V應(yīng)急電源(EPS)輸出，三路分別有+18V/-5V輸出電壓的門極驅(qū)動(dòng)輸出，提供基本絕緣的高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出。DER-1045Q特性有加強(qiáng)絕緣，四路輸出設(shè)計(jì)，VIN：200–1000V，VOUT1：14V，VOUT2,3,4：+18/-5V，POUT：20W，輸出1應(yīng)急電源，輸出2-4提供基本絕緣的高壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)輸出。牽引逆變器柵極驅(qū)動(dòng)和應(yīng)急電源。

20W四路輸出超緊湊電源，一路輸出為24.75V的應(yīng)急電源(EPS)，三路輸出為25.5V的門極驅(qū)動(dòng)電源，具有共模電感的去耦柵極驅(qū)動(dòng)輸出，DER-1030Q特性有加強(qiáng)絕緣，四路輸出設(shè)計(jì)，VIN：40–950V，VOUT1：24.75V，VOUT2,3,4：25.5V，POUT：20W。輸出1應(yīng)急電源，輸出2-4具有共模電感的去耦柵極驅(qū)動(dòng)輸出。牽引逆變器柵極驅(qū)動(dòng)和應(yīng)急電源。

平面變壓器有超小體積和超低高度的特性，其重心更低，振動(dòng)更小，空間更緊湊，能夠更好管控整個(gè)生產(chǎn)制程，并且比傳統(tǒng)的繞線變壓器更輕，一致性更好。目前平面變壓器在不斷刷新降低板高的記錄，從20mm到15mm，再到13mm。它符合IEC 60664-1和IEC 60664-4標(biāo)準(zhǔn)，并提供加強(qiáng)絕緣，使用壽命長，可靠性高，BMS（電池包）可全天候持續(xù)工作20年。平面變壓器正在汽車應(yīng)用上快速普及，PI也推出了平面變壓器的整套方案。

王曉戈表示，平面變壓器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)就在于多層PCB的設(shè)計(jì)既要兼顧性能，還要兼顧高壓的加強(qiáng)絕緣，尤其是高至1000V的高壓，采用1700V SiC InnoSwitch 3-AQ可實(shí)現(xiàn)超扁平設(shè)計(jì)，支持1000V電壓，具有加強(qiáng)絕緣功能，結(jié)構(gòu)緊湊，性價(jià)比高，質(zhì)量減輕（抗振），實(shí)現(xiàn)100%過程控制。同時(shí)全新寬爬電距離的InnoSwitch3-AQ封裝簡化了結(jié)構(gòu)，InSOP-28封裝將初級側(cè)間距從3.35mm增加至5.1mm，無需噴涂三防漆，滿足污染等級II的安規(guī)需求。并且PI在官網(wǎng)提供了很好的設(shè)計(jì)工具，可以針對平板變壓器的需求實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。

PI的超薄參考設(shè)計(jì)RDK-1039Q，是一款采用平面變壓器的18W超薄應(yīng)急電源，用于牽引逆變器門極驅(qū)動(dòng)器或應(yīng)急電源。RDK-1039Q特性有取代分立變壓器，加強(qiáng)絕緣，扁平（高度僅受電容限制），VIN：100–1000V，VOUT：12V，POUT：18W/36W（單路最小值），尺寸為77x50.5x12.5mm，牽引逆變器柵極驅(qū)動(dòng)或應(yīng)急電源。

120W超緊湊平面電源，設(shè)計(jì)用于縮小或消除笨重的12V電池，RDK-1054Q特性有元件數(shù)目少，沒有散熱片，采用平面變壓器，加強(qiáng)絕緣，扁平（高度受電容限制），VIN：200–900V，VOUT：12V，POUT：120W，尺寸為99x62x14.6mm，縮小或消除笨重的12V電池。

面對新能源汽車電源設(shè)計(jì)的全新挑戰(zhàn)，PI已備好從芯片到整體解決方案的完整工具箱。工程師可以通過分銷商或從P I官網(wǎng)獲取五個(gè)參考設(shè)計(jì)的詳盡的設(shè)計(jì)規(guī)格、電路原理圖、PCB布局、物料清單(BOM)、變壓器設(shè)計(jì)、性能數(shù)據(jù)、波形與Gerber文件。

從400V到1000V高壓平臺(tái)，從繞線變壓器到平面變壓器，PI的技術(shù)演進(jìn)始終與汽車行業(yè)的發(fā)展同頻共振。隨著不同參考設(shè)計(jì)的落地，PI不僅為車企提供了高效、緊湊的電源完整解決方案，更為智能駕駛時(shí)代的電源安全樹立了新標(biāo)桿?；蛟S在未來，這場由PI發(fā)起的高壓驅(qū)動(dòng)的電源架構(gòu)革命將重塑整個(gè)汽車電子生態(tài)。