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。從內燃機 (ICE) 向電力牽引的轉變不僅需要更廣泛的電力電子設備，還需要能夠在遠高于過去使用的電壓下運行的設備。

圖1：新能源汽車高壓架構

新能源汽車高壓架構升級

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，現在的趨勢是向 800V 平臺發(fā)展，以利用快速充電技術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：升壓裝置可與現有的 400V 平臺兼容

主逆變控制器現狀及技術發(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)展為三合一設計，即集成電機、控制器和減速器架構，最終將它們全部安裝在一個外殼內。

圖3：一體化電機、控制器、減速器結構

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)市場中得到廣泛應用，但由于其存在光衰問題，在汽車應用中相對較少見。電容隔離利用電場的耦合效應將信號傳遞到絕緣體上。它采用半導體工藝技術，消除了光衰問題。數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，使其在汽車應用中得到廣泛應用。

電容隔離的數字特性允許使用噪聲抑制技術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 使用自適應形式的開關鍵控 (OOK) 來處理其電容隔離設備兩側之間的通信。通過適應高壓側產生的噪聲，該協(xié)議可以實現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 的隔離技術可以實現高達 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計所需的高通道數。該技術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動器。

隔離柵極驅動器是牽引逆變器和OBC系統(tǒng)的關鍵組件。特別是在牽引逆變器應用中，需要功能安全，并且還需要更高的CMTI來應對復雜的系統(tǒng)環(huán)境。在800V平臺中，dv/dt較大，這會影響系統(tǒng)的EMI;因此，良好的驅動器設計可以降低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。隔離放大器是具有電流隔離的運算放大器(op amp)，例如NSI1311NOVOSENSE 生產的霍爾效應傳感器，廣泛用于牽引逆變器和 OBC 應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果，即使與牽引逆變器應用中遇到的大功率開關一起工作也是如此。霍爾電流傳感器可以利用霍爾效應檢測載體產生的磁場，可提供高精度，輸出誤差最大為 2%，非線性僅為 0.2%。對于 NOVOSENSE 生產的霍爾效應傳感器，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結合了基于電容技術的雙通道隔離器，可提供高達 5kVrms 的保護，以及能夠支持高達 1Mb/s 數據速率的 CAN 收發(fā)器。NSI1042-Q1 將最大數據速率提高到 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動器和控制器單元的框圖