電氣化正在重塑汽車行業(yè)。電動汽車 (EV) 不僅需要廣泛使用電池來提供能量，還需要大量使用電力電子設(shè)備來為電池充電，最有效地利用電力并從制動中獲取能量，以及延長電池壽命的其他機會。從內(nèi)燃機 (ICE) 向電力牽引的轉(zhuǎn)變不僅需要更廣泛的電力電子設(shè)備，還需要能夠在遠高于過去使用的電壓下運行的設(shè)備。
圖1：新能源汽車高壓架構(gòu)
新能源汽車高壓架構(gòu)升級
電動汽車的電氣系統(tǒng)延伸到車輛的所有部件，充電和配電系統(tǒng)(如圖 1 所示)在車輛連接到主電源時為電池供電。在行駛過程中，充電和配電系統(tǒng)為電驅(qū)動系統(tǒng)和電機以及其他子系統(tǒng)(如熱管理)供電。早期的電動汽車使用 400V 電源軌連接這些子系統(tǒng)。然而，現(xiàn)在的趨勢是向 800V 平臺發(fā)展，以利用快速充電技術(shù)以及在此電壓水平下高扭矩或高速度下傳動系統(tǒng)的更高效率。市場研究表明，到 2025 年初，基于 800V 架構(gòu)的汽車銷量將達到約 100 萬輛，到當年年底將翻一番。
升級至 800V 有兩個關(guān)鍵優(yōu)勢。首先，在 800V 下，電池可以更快地充電，從而減輕了人們對車輛續(xù)航里程和充電時間的擔憂。另一個優(yōu)勢是，800V 平臺在高功率輸出水平下能耗更低，這增加了有效續(xù)航里程。
800V平臺的升級方案多種多樣，趨勢是全系統(tǒng)采用高壓，保證全系統(tǒng)電壓穩(wěn)定、均勻。另外為了兼容現(xiàn)有400V平臺直流充電樁，增加了升壓單元，目前最常見的升壓單元集成在電驅(qū)動系統(tǒng)中，與電機控制器采用同一個功率器件，有利于降低成本。
圖 2：升壓裝置可與現(xiàn)有的 400V 平臺兼容
主逆變控制器現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢
同時，為了滿足市場需求，電氣子系統(tǒng)必須以低成本制造，同時提供高性能、小尺寸和低重量。這些需求導(dǎo)致了電機、控制器、減速器和其他部件的更高集成度趨勢。由于零件集成，可以節(jié)省外殼和配件以及高壓電纜。集成還傾向于提高電磁兼容性 (EMC)，整體上對屏蔽的需求較少。
集成有多種級別。集成電驅(qū)動系統(tǒng)代表電機和控制器或電機的二合一集成。這逐漸發(fā)展為三合一設(shè)計，即集成電機、控制器和減速器架構(gòu)，最終將它們?nèi)堪惭b在一個外殼內(nèi)。
圖3：一體化電機、控制器、減速器結(jié)構(gòu)
牽引逆變器由低壓控制單元和高壓功率級組成。低壓控制單元包括電機控制單元 (MCU)、CAN 收發(fā)器、門驅(qū)動器、信號檢測電路以及 SBC/PMIC 或一些電源電路。高壓功率級主要由功率器件組成，例如功率模塊或分立器件。為保證高低壓安全，低壓控制單元和高壓功率級之間必須使用增強絕緣的隔離芯片。
圖 4：基于 MCU 的環(huán)境中柵極驅(qū)動器電路的隔離
高集成隔離解決方案
光耦合器因其低成本特性而在工業(yè)市場中得到廣泛應(yīng)用，但由于其存在光衰問題，在汽車應(yīng)用中相對較少見。電容隔離利用電場的耦合效應(yīng)將信號傳遞到絕緣體上。它采用半導(dǎo)體工藝技術(shù)，消除了光衰問題。數(shù)字隔離器不僅可以通過多通道集成來減小尺寸，而且還提供更高的 CMTI 和更長的使用壽命，使其在汽車應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用。
電容隔離的數(shù)字特性允許使用噪聲抑制技術(shù)來防止電壓尖峰干擾高頻控制處理器的傳感器輸入。例如，NOVOSENSE Microelectronics 使用自適應(yīng)形式的開關(guān)鍵控 (OOK) 來處理其電容隔離設(shè)備兩側(cè)之間的通信。通過適應(yīng)高壓側(cè)產(chǎn)生的噪聲，該協(xié)議可以實現(xiàn)對共模瞬變的高免疫力，而這對傳統(tǒng)隔離組件來說可能是麻煩的。NOVOSENSE 的隔離技術(shù)可以實現(xiàn)高達 200kV/μs 的共模瞬變免疫力。
由于電容元件可以輕松集成到單個 IC 中，這種耦合形式可為同一封裝內(nèi)的多個通道提供高隔離保護，并且通信速率高。這反過來又支持汽車設(shè)計所需的高通道數(shù)。該技術(shù)還支持其他功能的集成，例如用于控制功率晶體管的柵極驅(qū)動器。
隔離柵極驅(qū)動器是牽引逆變器和OBC系統(tǒng)的關(guān)鍵組件。特別是在牽引逆變器應(yīng)用中，需要功能安全，并且還需要更高的CMTI來應(yīng)對復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境。在800V平臺中，dv/dt較大，這會影響系統(tǒng)的EMI;因此，良好的驅(qū)動器設(shè)計可以降低dv/dt以優(yōu)化EMI。NOVOSENSE的NSI6602可在SOP16(300mil)或SOP14(300mil)封裝中提供5700Vrms隔離。其系統(tǒng)穩(wěn)健性由150kV/us典型共模瞬態(tài)抗擾度(CMTI)支持。因此，它被廣泛應(yīng)用于OBC系統(tǒng)。
電流和電壓采樣對于維持系統(tǒng)正常運行至關(guān)重要。它們可以通過使用隔離放大器和霍爾電流傳感器來實現(xiàn)。隔離放大器是具有電流隔離的運算放大器(op amp)，例如NSI1311NOVOSENSE 生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)傳感器，廣泛用于牽引逆變器和 OBC 應(yīng)用中的隔離電流傳感。它具有高 CMTI，可確保該組件能夠提供準確可靠的測量結(jié)果，即使與牽引逆變器應(yīng)用中遇到的大功率開關(guān)一起工作也是如此?；魻栯娏鱾鞲衅骺梢岳没魻栃?yīng)檢測載體產(chǎn)生的磁場，可提供高精度，輸出誤差最大為 2%，非線性僅為 0.2%。對于 NOVOSENSE 生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)傳感器，最大帶寬可達 2MHz。
同樣，CAN 連接所需的接口電路也為集成隔離提供了另一個機會。例如NOVOSENSE 的NSI1050和NSI1042-Q1。NSI1050結(jié)合了基于電容技術(shù)的雙通道隔離器，可提供高達 5kVrms 的保護，以及能夠支持高達 1Mb/s 數(shù)據(jù)速率的 CAN 收發(fā)器。NSI1042-Q1 將最大數(shù)據(jù)速率提高到 5Mb/s，并且可以以滿足嚴格的 AEC-Q100 認證的形式提供。
圖 5：由兩個電壓軌供電的驅(qū)動器和控制器單元的框圖
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