電氣化正在重塑汽車行業(yè)。電動(dòng)汽車 (EV) 不僅需要廣泛使用電池來(lái)提供能量，還需要大量使用電力電子設(shè)備來(lái)為電池充電，最有效地利用電力并從制動(dòng)中獲取能量，以及延長(zhǎng)電池壽命的其他機(jī)會(huì)。從內(nèi)燃機(jī) (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(yuǎn)高于過(guò)去使用的電壓下運(yùn)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(jí)

電動(dòng)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(shí)為電池供電。在行駛過(guò)程中，充電和配電系統(tǒng)為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)以及其他子系統(tǒng)(如熱管理)供電。早期的電動(dòng)汽車使用 400V 電源軌連接這些子系統(tǒng)。然而，現(xiàn)在的趨勢(shì)是向 800V 平臺(tái)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(dòng)系統(tǒng)的更高效率。市場(chǎng)研究表明，到 2025 年初，基于 800V 架構(gòu)的汽車銷量將達(dá)到約 100 萬(wàn)輛，到當(dāng)年年底將翻一番。

升級(jí)至 800V 有兩個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。首先，在 800V 下，電池可以更快地充電，從而減輕了人們對(duì)車輛續(xù)航里程和充電時(shí)間的擔(dān)憂。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，800V 平臺(tái)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(tái)的升級(jí)方案多種多樣，趨勢(shì)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(tái)直流充電樁，增加了升壓?jiǎn)卧?，目前最常?jiàn)的升壓?jiǎn)卧稍陔婒?qū)動(dòng)系統(tǒng)中，與電機(jī)控制器采用同一個(gè)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(tái)兼容

主逆變控制器現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

同時(shí)，為了滿足市場(chǎng)需求，電氣子系統(tǒng)必須以低成本制造，同時(shí)提供高性能、小尺寸和低重量。這些需求導(dǎo)致了電機(jī)、控制器、減速器和其他部件的更高集成度趨勢(shì)。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(duì)屏蔽的需求較少。

集成有多種級(jí)別。集成電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)代表電機(jī)和控制器或電機(jī)的二合一集成。這逐漸發(fā)展為三合一設(shè)計(jì)，即集成電機(jī)、控制器和減速器架構(gòu)，最終將它們?nèi)堪惭b在一個(gè)外殼內(nèi)。

圖3：一體化電機(jī)、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(jí)組成。低壓控制單元包括電機(jī)控制單元 (MCU)、CAN 收發(fā)器、門驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)檢測(cè)電路以及 SBC/PMIC 或一些電源電路。高壓功率級(jí)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(jí)之間必須使用增強(qiáng)絕緣的隔離芯片。

圖 4：基于 MCU 的環(huán)境中柵極驅(qū)動(dòng)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(chǎng)中得到廣泛應(yīng)用，但由于其存在光衰問(wèn)題，在汽車應(yīng)用中相對(duì)較少見(jiàn)。電容隔離利用電場(chǎng)的耦合效應(yīng)將信號(hào)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(wèn)題。數(shù)字隔離器不僅可以通過(guò)多通道集成來(lái)減小尺寸，而且還提供更高的 CMTI 和更長(zhǎng)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(lái)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(lái)處理其電容隔離設(shè)備兩側(cè)之間的通信。通過(guò)適應(yīng)高壓側(cè)產(chǎn)生的噪聲，該協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)對(duì)共模瞬變的高免疫力，而這對(duì)傳統(tǒng)隔離組件來(lái)說(shuō)可能是麻煩的。NOVOSENSE 的隔離技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高達(dá) 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(gè) IC 中，這種耦合形式可為同一封裝內(nèi)的多個(gè)通道提供高隔離保護(hù)，并且通信速率高。這反過(guò)來(lái)又支持汽車設(shè)計(jì)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(dòng)器。

隔離柵極驅(qū)動(dòng)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(lái)應(yīng)對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)環(huán)境。在800V平臺(tái)中，dv/dt較大，這會(huì)影響系統(tǒng)的EMI;因此，良好的驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)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(duì)于維持系統(tǒng)正常運(yùn)行至關(guān)重要。它們可以通過(guò)使用隔離放大器和霍爾電流傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。隔離放大器是具有電流隔離的運(yùn)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(zhǔn)確可靠的測(cè)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(cè)載體產(chǎn)生的磁場(chǎng)，可提供高精度，輸出誤差最大為 2%，非線性僅為 0.2%。對(duì)于 NOVOSENSE 生產(chǎn)的霍爾效應(yīng)傳感器，最大帶寬可達(dá) 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(gè)機(jī)會(huì)。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(dá) 5kVrms 的保護(hù)，以及能夠支持高達(dá) 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(yán)格的 AEC-Q100 認(rèn)證的形式提供。

圖 5：由兩個(gè)電壓軌供電的驅(qū)動(dòng)器和控制器單元的框圖