我國(guó)新能源汽車正在高速發(fā)展。今年以來(lái)，新能源汽車產(chǎn)銷快速增長(zhǎng)，與傳統(tǒng)燃油車走勢(shì)形成強(qiáng)烈差異化的特征，對(duì)燃油車市場(chǎng)的替代效應(yīng)逐漸顯現(xiàn)。據(jù)公安部交通管理局消息，截至2021年9月，全國(guó)新能源汽車保有量達(dá)678萬(wàn)輛，占汽車總量的2.28%。其中純電動(dòng)汽車保有量552萬(wàn)輛，占新能源汽車總量的81.53%。根據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的數(shù)據(jù)，9月，我國(guó)新能源汽車銷量首次突破35萬(wàn)輛，創(chuàng)歷史新高。
與此同時(shí)，隨著政府“雙碳”戰(zhàn)略的推進(jìn)，新能源汽車也迎來(lái)了重要的發(fā)展機(jī)遇。根據(jù)摩根大通預(yù)測(cè)，到 2025 年，電動(dòng)汽車在全球汽車銷量的占比將增至 30% 。而當(dāng)前阻礙電動(dòng)汽車在消費(fèi)者中普及的關(guān)鍵因素則是購(gòu)買價(jià)格和行駛里程。
價(jià)格是電動(dòng)汽車?yán)@不過(guò)去的一環(huán)，從購(gòu)置開(kāi)銷開(kāi)看，以比亞迪唐為例，EV版比燃油版貴了近十萬(wàn)；使用開(kāi)銷呢，充電過(guò)程中額外會(huì)帶來(lái)停車費(fèi)開(kāi)銷，充電價(jià)格優(yōu)勢(shì)又不太明顯，如今每千瓦時(shí)的平均電價(jià)已超過(guò)1000美元。好消息是到2024年，價(jià)格預(yù)計(jì)將跌至100美元以下。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)格將繼續(xù)下降。
隨著價(jià)格的下降，電動(dòng)汽車的行駛范圍正在增加。現(xiàn)在新款的電動(dòng)汽車一次充電實(shí)際行駛里程已達(dá)480公里以上。隨著行駛距離和充電站數(shù)量逐漸增加，越來(lái)越多的消費(fèi)者愿意購(gòu)買電動(dòng)汽車。
在電動(dòng)汽車技術(shù)發(fā)展之路上，TI以獨(dú)特優(yōu)勢(shì)引領(lǐng)著技術(shù)進(jìn)步與創(chuàng)新。TI汽車系統(tǒng)工程與市場(chǎng)營(yíng)銷部門總監(jiān)Manack Ryan表示，TI的目標(biāo)是降低汽車制造商的生產(chǎn)成本和消費(fèi)者的購(gòu)買價(jià)格，進(jìn)而使得電動(dòng)汽車得到更廣泛的應(yīng)用。
改用分布式架構(gòu)
由于成本較低，集中式架構(gòu)解決方案歷來(lái)廣受歡迎，其使用一個(gè)中央變壓器和一個(gè)偏置控制器來(lái)為所有柵極驅(qū)動(dòng)器生成偏置電壓。但這種架構(gòu)給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)，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，集中式架構(gòu)的電源缺乏冗余，一旦偏置電源中的單個(gè)元件出現(xiàn)故障，整個(gè)系統(tǒng)亦會(huì)癱瘓。
部署分布式架構(gòu)則可防止電源故障，從而打造更可靠的系統(tǒng)。動(dòng)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(biāo)配。分布式電源架構(gòu)可為每個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)器分配一個(gè)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(dòng)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(duì)單點(diǎn)故障的反應(yīng)能力。
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)?？吭诼愤叺却乱徊讲僮?。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)。
Manack Ryan表示，TI的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)可以幫助客戶集成動(dòng)力系統(tǒng)，以降低成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提高功能安全，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，并提高功率密度。
更小的集成變壓器模塊——UCC14240-Q1
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(dòng)汽車電源系統(tǒng)需要更先進(jìn)的器件，即更小的集成變壓器模塊。為此，TI近期發(fā)布了全新的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(gè)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，有助于實(shí)現(xiàn)半分布式和分布式電源架構(gòu)。
UCC14240-Q1隔離式直流/直流偏置電源模塊（圖源：TI公司）
UCC14240-Q1是業(yè)界最小、最精確的1.5W隔離式DC/DC電源模塊。使用該產(chǎn)品，可以將性能和功率密度提高到一個(gè)新的水平，同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)單易用的設(shè)備更快地進(jìn)入市場(chǎng)。
UCC14240-Q1 VS. 傳統(tǒng)解決方案（圖源：TI公司）
將傳統(tǒng)解決方案與TI的UCC14240-Q1進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)反激式和推挽式轉(zhuǎn)換器通常以低于中波（AM）無(wú)線電頻段的開(kāi)關(guān)頻率工作，開(kāi)關(guān)頻率為550kHz及以下。這種較低的開(kāi)關(guān)操作頻率，加上高壓系統(tǒng)需要的爬電距離和電氣間隙，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。
相較而言，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，與傳統(tǒng)方案相比，尺寸降低了7mm以上，縮小了一半面積并將厚度降低至3.55mm。此外，TI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。
此外，該款產(chǎn)品使用專有集成變壓技術(shù)，UCC14240-Q1將整流器、緩沖器和電壓調(diào)節(jié)器等功能融入電路板中，消除了對(duì)復(fù)雜外部組件的需求，為設(shè)計(jì)工程師節(jié)省了大量的開(kāi)發(fā)時(shí)間。通過(guò)集成變壓技術(shù)，工程師可將其解決方案的體積縮小75%，并將BOM組件數(shù)量從26個(gè)縮減至10個(gè)。
UCC14240-Q1特性（圖源：TI公司）
由于UCC14240-Q1具有尺寸和效率方面的優(yōu)勢(shì)，因此可實(shí)現(xiàn)更高的功率密度和系統(tǒng)效率，使汽車在每次充電后行駛更遠(yuǎn)的里程。這款雙路輸出電源模塊的效率為60%，比傳統(tǒng)的偏置電源高一倍，這使得功率密度翻倍，而且有助于提高汽車行駛里程。該器件的輸出功率旨在支持多種汽車應(yīng)用，在105°C的環(huán)境溫度下，UCC14240-Q1的功率超過(guò)1.5W，支持工程師在高頻率下驅(qū)動(dòng)絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 開(kāi)關(guān)。
UCC14240-Q1的另一個(gè)特點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)更低的EMI。由于其初級(jí)到次級(jí)電容非常低，僅為3.5pF，而傳統(tǒng)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。
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℃~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)。由于器件容差小，因此可以使用更小的電源開(kāi)關(guān)，同時(shí)增強(qiáng)過(guò)流保護(hù)。此外，該器件全面集成了故障監(jiān)控、過(guò)流保護(hù)、過(guò)功率保護(hù)和過(guò)熱保護(hù)。還具有經(jīng)第三方認(rèn)證的3kVrms隔離電壓，而且因?yàn)楹茌p的重量和3.55mm的厚度，可實(shí)現(xiàn)卓越的抗振性。
Manack Ryan最后表示，這是目前市場(chǎng)上最小的解決方案，它可以用于電路板的頂部和底部，從而為設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。為了更多消費(fèi)者更放心地購(gòu)買電動(dòng)汽車，諸如TI這類技術(shù)創(chuàng)新者正在持續(xù)努力，不斷攻克電動(dòng)汽車普及之路上的各項(xiàng)技術(shù)痛點(diǎn)，打消各種可能的顧慮，為電動(dòng)汽車的廣泛推行發(fā)揮著積極作用。
