到 2025 年，預(yù)計將有30%的新車為電動汽車。當(dāng)下，阻礙電動車發(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。隨著越來越多的公司接受電動汽車并對其技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，價格將持續(xù)下降，同時，行駛里程也在增加。由于行駛里程和充電站數(shù)量的增加，越來越多的消費者傾向于購買電動汽車。

　　電動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)動器是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，它通過開啟和關(guān)閉IGBT或SiC MOSFET等器件來控制電流。同時，這些隔離式柵極驅(qū)動器需要合適的偏置電源來實現(xiàn)精確的控制。

　　工廠自動化和機(jī)器人等應(yīng)用中的傳統(tǒng)電機(jī)控制使用具有多個輸出繞組的集中式電源為隔離式柵極驅(qū)動器提供電壓，而汽車對安全和冗余的嚴(yán)格要求以及追求更輕重量的趨勢變得更加重要，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電子產(chǎn)品中使用分布式架構(gòu)。電動汽車動力系統(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)勢眾多。傳統(tǒng)系統(tǒng)使用單一變壓器為各個組件供電，這給現(xiàn)實應(yīng)用帶來了挑戰(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)振動控制方面表現(xiàn)不佳。此外，一旦該變壓器或電源出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)亦會癱瘓。而在分布式系統(tǒng)中，如果某個偏置電源或柵極驅(qū)動器出現(xiàn)故障，其余五個偏置電源仍在工作，汽車也將進(jìn)入安全模式，自動?？吭诼愤叺却乱徊讲僮?。分布式架構(gòu)實現(xiàn)了體積更小、重量更輕，抗振性更佳的優(yōu)點。

　　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)是幫助客戶集成動力系統(tǒng)，以降低成本，簡化設(shè)計，提高功能安全和增強(qiáng)可靠性。動力系統(tǒng)集成還能夠通過在更小的解決方案中實現(xiàn)更高的功率來擴(kuò)展驅(qū)動范圍，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)工程與市場營銷部門總監(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新的水平。

　　下面就與傳統(tǒng)推挽轉(zhuǎn)換器方面做一個對比，如下圖所示，反激式和推挽式轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率通常為550kHz及以下。這種較低的開關(guān)頻率，導(dǎo)致變壓器相對較大。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)測試和獨立的第三方認(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分立元件來構(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)計將這些功能融入到電路板中，消除了對復(fù)雜外部組件的需求。只需安裝一個去耦電容和電壓+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的平衡漏感和一到兩個電容的變壓器設(shè)計，可將外部組件數(shù)量縮減超過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驅(qū)動電機(jī)。TI的隔離式柵極驅(qū)動器（如UCC5870-Q1）用于驅(qū)動半橋開關(guān)。圖右半部分顯示的UCC14240-Q1可用于一個完全分布式系統(tǒng)的每個隔離式柵極驅(qū)動器。

　　在一些系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)蛡?cè)共享相同的電位時，一個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，這個模塊還有很多功能。例如，它的一個重要特點是其初級到次級電容非常低，僅為3.5pF。反激式和推挽式電路中常用的變壓器存在初級到次級電容的問題，大概從10pF到35pF，因為它們必須限制電路中的漏感并將繞組推得更近。TI的集成變壓器技術(shù)限制了這種電容，當(dāng)與軟開關(guān)控制方案結(jié)合使用時，可以限制EMI。而且，這種低電容對于支持 SiC 和 GaN 等快速開關(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是未來發(fā)展趨勢，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，它有一個專用的電源引腳，可為系統(tǒng)提供故障報警。為確保平穩(wěn)上電，它還具有軟啟動保護(hù)，過功率及過溫保護(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。