【導讀】本(ben)文(wen)探(tan)討(tao)了(le)使(shi)用(yong)集(ji)成(cheng)式(shi)動(dong)力(li)總(zong)成(cheng)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)通(tong)過(guo)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)技(ji)術(shu)加(jia)快(kuai)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)普(pu)及(ji)的(de)好(hao)處(chu)。重(zhong)點(dian)介(jie)紹(shao)了(le)寬(kuan)帶(dai)隙(xi)半(ban)導(dao)體(ti)開(kai)關(guan)和(he)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)實(shi)施(shi)，說(shuo)明(ming)動(dong)力(li)總(zong)成(cheng)集(ji)成(cheng)的(de)價(jia)值(zhi)。

內容概覽

動力總成集成對於電動車的大規模市場推廣至關重要。

1. 性能改進：提高功率密度

帶高級診斷和保護功能的隔離式柵極驅動器實現集成和降低成本。

2. 寬帶隙半導體器件：汽車市場的顛覆性技術

將碳化矽 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 用於電源開關可提高電動汽車的效率。

3. 係統級集成式動力總成解決方案

將動力總成集成到一個單元中，降低成本和更大限度地增加布板空間。

隨著越來越多的混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 首次亮相，汽車製造商正在提高車輛動力係統的電氣化程度。受全球限製二氧化碳排放法規的推動，銷量每年以 20% 至 25% 的速度增長 [1]，預計到 2030 年將占汽車總銷量的 20% 至 25%[2]。此外，隨著消費者對混合動力汽車的接受程度的提高，也帶來了對性能更好、行駛裏程更長的節能、堅固和緊湊型係統的更大需求。

該領域的主要顧慮之一是如何使混合動力汽車/電dian動dong汽qi車che更geng實shi惠hui，促cu進jin大da眾zhong市shi場chang的de采cai用yong並bing解jie決jue汽qi車che製zhi造zao商shang當dang前qian盈ying利li能neng力li不bu足zu的de問wen題ti。如ru今jin
，小xiao到dao中zhong型xing電dian動dong汽qi車che的de平ping均jun價jia格ge比bi同tong等deng級ji別bie的de內nei燃ran機ji汽qi車che高gao出chu約yue 12,000 美元 [3]。

起(qi)初(chu)，人(ren)們(men)認(ren)為(wei)電(dian)池(chi)成(cheng)本(ben)是(shi)造(zao)成(cheng)價(jia)格(ge)差(cha)異(yi)的(de)唯(wei)一(yi)原(yuan)因(yin)。的(de)確(que)，電(dian)池(chi)成(cheng)本(ben)在(zai)未(wei)來(lai)可(ke)能(neng)會(hui)大(da)幅(fu)下(xia)降(jiang)。然(ran)而(er)，詳(xiang)細(xi)的(de)商(shang)業(ye)模(mo)式(shi)最(zui)近(jin)表(biao)明(ming)，其(qi)他(ta)選(xuan)項(xiang)也(ye)可(ke)以(yi)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben) [3] 並縮短原始設備製造商(OEM) 使混合動力汽車/電動汽車銷售實現盈利的時間。一種選擇是按成本設計 (DTC)，它專注於動力總成集成
，即電力電子組件放置得更緊密
，減少組件數量，並將它們集成到更少的盒子中。

在本白皮書中，我會介紹將 DTC 應用於電力電子產品如何使OEM 能夠實現大眾市場的采用。首先
，我將解釋為什麼電力電子技術的進步能夠在努力降低動力總成係統的 DTC 的同時減輕消費者的“裏程焦慮”，然後介紹旨在采用 DTC 的係統級集成式動力總成解決方案，並特別著重介紹優化半導體集成電路 (IC) 和功率器件的內容。

解決裏程焦慮

在購買混合動力汽車和電動汽車時
，裏程焦慮一直是消費者最關心的問題。2020 年，市場上預計將發布幾款裏程超過 200英裏 [4] 的電動汽車。即使在不同的 OEM 廠(chang)商(shang)中(zhong)，這(zhe)些(xie)電(dian)動(dong)汽(qi)車(che)的(de)共(gong)同(tong)之(zhi)處(chu)在(zai)於(yu)
，它(ta)們(men)都(dou)采(cai)用(yong)了(le)全(quan)新(xin)的(de)動(dong)力(li)總(zong)成(cheng)平(ping)台(tai)設(she)計(ji)
，優(you)化(hua)了(le)電(dian)池(chi)堆(dui)疊(die)和(he)封(feng)裝(zhuang)以(yi)實(shi)現(xian)高(gao)續(xu)航(hang)裏(li)程(cheng)。更(geng)高(gao)的(de)電(dian)池(chi)組(zu)堆(dui)疊(die)轉(zhuan)化(hua)為(wei)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)和(he)更(geng)大(da)的(de)馬(ma)力(li)。

現代電動汽車的電池電壓通常約為 400V，但要獲得更大的馬力，則需要將電池電壓提高至 800V，尤其是在高端電動汽車中。更高的電壓可將相同的電流轉換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優化可實現緊湊的空間和更低的 DTC。

ciwai
，zaitongyangdegonglvxia
，genggaodedianyaketigaoxiaolv
，yinweibuyongshiyongdadianliu，congerkejiangdirehaosan。gengxiaodedianlanzhijinghegengdidezhongliangfanguolaiyoujiangdile DTC。

性能改進：增強功率密度

動力總成係統的功效和大小確定了混合動力汽車或電動汽車的性能。功效與總體大小的比率（也稱為功率密度）是電源管理領域的關鍵品質因數。目標是實現更高水平的功率密度。電動汽車行業正在通過集成將該目標擴展到動力總成係統 – 在更緊湊的空間內實現更高效率。在這種背景之下，“緊湊空間”意味著更小的印刷電路板 (PCB) 空間和外殼材料
，這也對DTC 產生了積極的影響。

在電力電子領域，包括車載充電器 (OBC)、直流/直流轉換器（高電壓到低電壓）和牽引逆變器在內的動力總成子係統中的拓撲/架構、集成 IC 解決方案和半導體電源開關已經發生了重大變化。圖 1 顯示了混合動力汽車/電動汽車中動力總成係統的典型方框圖。

圖 1.混合動力汽車/電動汽車中動力總成係統的方框圖。 

下麵讓我們討論一下這個變化對半導體電源開關的影響，以及它如何將高效電力電子架構所需的功能集成到 IC 中。這是係統級集成式動力總成解決方案的基礎。

寬帶隙半導體器件：汽車市場的顛覆性技術

動力電子在試圖滿足苛刻的功率密度要求方麵起著至關重要的作用。動力電子產品中的功率半導體器件必須具有以下屬性：

• 較低的功率損耗。

• 高頻運行。

• 較高的結溫。

• 高電壓運行。

• 增強的熱耗散。

與傳統矽基電源開關（例如，大功率矽金屬氧化物半導體場效應晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)）相比，應用先進的高電壓器件（例如，為電源開關使用 SiC 和 GaN 的寬帶隙半導體）可使混合動力汽車/電動汽車實現更高的效率。

隨著功率水平升高，由於功率矽 MOSFET 或 IGBT 的最大工作溫度存在限製（稱為允許的結溫）
，所以它們的熱管理具有挑戰性。由於存在此限製，所以需要在動力總成係統中增加冷卻組件（例如，帶有水套的大型銅塊）-尤其是在牽引逆變器中，在這個部件中，功率水平可能會升高到 100kW 以上。增加冷卻組件會影響車輛的尺寸、重量和成本。相反
，SiC 具有高得多的可容許結溫。此外，SiC 的熱導率比矽高兩到三倍 [4]。SiC 同時具備高結溫和高熱導率
，無需使用大銅塊和水套，使其成為動力總成係統中的一種有吸引力的備選材料。因為GaN 可以從幾百千赫至兆赫範圍內切換，所以在 OBC 和直流/直流轉換器中使用 GaN 也可以顯著減少無源元件（例如，磁性元件和電容器）。

有幾家汽車製造商已經在其混合動力汽車/電dian動dong汽qi車che動dong力li總zong成cheng設she計ji中zhong加jia入ru了le寬kuan帶dai隙xi解jie決jue方fang案an

，以yi實shi現xian更geng大da的de馬ma力li和he更geng高gao的de效xiao率lv以yi及ji更geng高gao的de電dian池chi電dian壓ya。此ci外wai
，寬kuan帶dai隙xi解jie決jue方fang案an通tong過guo改gai善shan熱re管guan理li和he減jian小xiao尺chi寸cun
，可ke以yi降jiang低di DTC。suiranxianzaidekuandaixikaiguanhenanggui，dansuizheshijiandetuiyi
，qichengbenhuixiajiang。zaimougexitongshuipingxia，xiaochuhuojinliangjianshaoyongyulengquedejixiekuaiyijiyongyuwuyuanyuanjianhewaikedecailiaoliangkeshixiangengdide DTC。

用於運行電源開關的隔離式柵極驅動器 IC

動dong力li總zong成cheng係xi統tong架jia構gou需xu要yao有you隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi才cai能neng高gao效xiao地di驅qu動dong電dian源yuan開kai關guan。隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi從cong控kong製zhi器qi將jiang脈mai寬kuan調tiao製zhi信xin號hao轉zhuan換huan為wei選xuan通tong脈mai衝chong
，從cong而er實shi現xian電dian源yuan開kai關guan打da開kai或huo關guan閉bi。由you於yu存cun在zai與yu電dian池chi相xiang關guan的de高gao電dian壓ya，因yin此ci必bi須xu在zai控kong製zhi器qi（初級側）和電源開關（次級側）之間進行電隔離。

電(dian)隔(ge)離(li)是(shi)一(yi)種(zhong)隔(ge)離(li)電(dian)氣(qi)係(xi)統(tong)的(de)功(gong)能(neng)部(bu)分(fen)以(yi)防(fang)止(zhi)直(zhi)流(liu)電(dian)或(huo)不(bu)受(shou)控(kong)製(zhi)的(de)瞬(shun)態(tai)電(dian)流(liu)在(zai)它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)流(liu)動(dong)的(de)技(ji)術(shu)。但(dan)是(shi)
，數(shu)據(ju)和(he)能(neng)量(liang)確(que)實(shi)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)此(ci)電(dian)隔(ge)離(li)屏(ping)障(zhang)。電(dian)容(rong)隔(ge)離(li)是(shi)利(li)用(yong)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)對(dui)傳(chuan)入(ru)信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)編(bian)碼(ma)和(he)解(jie)碼(ma)並(bing)使(shi)其(qi)通(tong)過(guo)隔(ge)離(li)屏(ping)障(zhang)的(de)一(yi)種(zhong)關(guan)鍵(jian)的(de)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu) [5, 6]。

由於具備高數據速率和高抗噪性（高於 150V/ns 時也稱為共模瞬變抗擾度 [CMTI]），電(dian)容(rong)隔(ge)離(li)是(shi)在(zai)隔(ge)離(li)式(shi)柵(zha)極(ji)驅(qu)動(dong)器(qi)中(zhong)實(shi)現(xian)隔(ge)離(li)屏(ping)障(zhang)的(de)優(you)先(xian)選(xuan)擇(ze)，並(bing)可(ke)以(yi)幫(bang)助(zhu)實(shi)現(xian)寬(kuan)帶(dai)隙(xi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)的(de)電(dian)勢(shi)開(kai)關(guan)能(neng)力(li)。動(dong)力(li)總(zong)成(cheng)經(jing)曆(li)高(gao)水(shui)平(ping)的(de)噪(zao)音(yin)和(he)振(zhen)動(dong)。因(yin)此(ci)，最(zui)好(hao)使(shi)用(yong)帶(dai)有(you) CMTI 的柵極驅動器。此外，隔離式柵極驅動器無需使用脈衝變壓器或外部分立式隔離器
，因而可減小 PCB空間
、降低車輛成本和重量。 

隔離式柵極驅動器集成：係統級功能安全性和降低DTC 的一個關鍵方麵

在係統級別，當被視為黑盒時
，動力總成係統有三個半導體器件：數字控製器（微控製器）、隔離式柵極驅動器和功率半導體。

除chu了le要yao求qiu高gao效xiao係xi統tong具ju有you關guan鍵jian功gong能neng外wai
，隔ge離li式shi柵zha極ji驅qu動dong器qi最zui近jin已yi成cheng為wei主zhu要yao組zu件jian，這zhe是shi因yin為wei對dui以yi極ji高gao功gong能neng安an全quan級ji別bie開kai發fa的de動dong力li總zong成cheng係xi統tong診zhen斷duan和he保bao護hu的de需xu求qiu日ri益yi增zeng長chang。監jian控kong和he保bao護hu需xu要yao智zhi能neng地di進jin行xing，並bing且qie將jiang這zhe些xie功gong能neng集ji成cheng到dao柵zha極ji驅qu動dong器qi中zhong已yi成cheng為wei一yi種zhong流liu行xing的de解jie決jue方fang案an。

時基故障 (FIT) 率被認為是實現更高水平的汽車安全完整性的關鍵指標。例如，時基故障率應小於 10 才能實現符合 ASILD 的係統；在牽引逆變器經常會看到這樣的 ASIL 級別。牽引逆變器使電機旋轉
，進而使車輛的車輪移動。類似的 ASIL要求（通常是 ASIL B 或 ASIL C）現在也已成為 OBC 和直流/直流轉換器的要求。

圖 2.集成的優勢。

為了實現盡可能更低的時基故障率

，以往在係統中分散布置的所有診斷和保護功能現已集成到隔離式柵極驅動器中，如圖 2 所示。由於大大減少了組件數量和減小了 PCB 空間，因此這直接降低了 DTC。TI 最近發布了 UCC5870-Q1
，它可以提供先進水平的診斷和保護。該器件在減少組件方麵具有顯著優勢

，可降低 DTC 並達到所需的 ASIL 級別，如牽引逆變器係統的圖 3 所示。 

圖 3 UCC5870-Q1 的優勢。

另一個想法涉及開發可以進一步大大降低 DTC 的集成變壓器偏置電源 IC，適用於牽引逆變器、OBC 和直流/直流轉換器。

係統級集成式動力總成解決方案

多年來
，重點一直放在動力係統中各個子係統的集成、減少DTC 和功率密度改進上。通過將整個動力總成係統集成到一個單元中，OEM 廠商將其提高到更高水平
，以進一步降低成本，這與 IC 行業中的片上係統概念相似。迄今為止，第一步是將 OBC 和直流/直流子係統組合到一個盒子中
，將牽引逆變器和直流/直流子係統組合到一個盒子中。無論采用哪種配置，集成式動力總成概念都可以顯著降低動力總成係統的整體重量
、增大功率重量比、消除子係統之間的布線並實現 DTC目標。標。研究和原型已經將成本降低了多達 15% [7]。除了半導體元件級的柵極驅動器集成外
，在這些子係統之間共享MCU 還可以進一步降低動力總成係統的總成本。

動力總成集成可降低組件成本以及驗證時間，因而可為 OEM降低總擁有成本和縮短上市時間。但是，所付出的一個代價是缺乏原始設計製造采購的靈活性。

結論

hunhedongliqichehediandongqicheshichangzhengzaikuaisuzengchang，bingqiesihuzhengtongguoshixiangengchangdexingshilichenghegaoxingnengercongzuichudekehuhuaiyizhonghuifuguolai。zhegeshichangdeweilaizengchangqujueyuchengbenjiangdi，yishixiaofeizhenenggoufudandeqihunhedongliqichehediandongqiche，bingshiyuanshishebeizhizaoshangyouliketu。

DTC 模型可實現降低動力總成子係統的電力電子中的成本。除了 SiC 和 GaN 等寬帶隙電源開關以外
，隔離式柵極驅動器也已成為關鍵組件，使 OEM 可以通過組件集成來降低成本並實現高功能安全性級別。TI 新發布的柵極驅動器UCC5870-Q1 提供了這樣的解決方案。

將 OBC、直流/直zhi流liu轉zhuan換huan器qi和he牽qian引yin逆ni變bian器qi組zu合he成cheng一yi個ge解jie決jue方fang案an的de新xin興xing趨qu勢shi將jiang這zhe種zhong集ji成cheng概gai念nian提ti升sheng到dao一yi個ge新xin高gao度du，這zhe既ji降jiang低di了le成cheng本ben，又you有you益yi於yu增zeng大da功gong率lv重zhong量liang比bi。

其它資源

1. Anwar, Asif。混合動力汽車和電動汽車半導體技術展望：SiC 和 GaN 的作用是什麼？Strategy Analytics 預測和展望，2019 年 7 月 17 日。

2. Erriquez, Mauro；Morel, Thomas；Mouliere, PierreYves
；Schafer,Philip。電動汽車設計的趨勢。McKinsey &Co.，McKinsey Center for Future Mobility，2017 年 10 月 25日。

3. Baik, Yeon；Hensley, Russell；Hertzke, Patrick；Knupfer,Stefan。助力電動汽車實現盈利。McKinsey & Co.，McKinsey Center for Future Mobility，2019 年 3 月 8 日。

4. Sridhar, Nagarajan。碳化矽柵極驅動器 - 電力電子行業的顛覆性技術，德州儀器 (TI) 白皮書 SLYY139A，2019 年。

5. Bonifield, Tom。實現高質量和可靠的高壓信號隔離。德州儀器 (TI) 白皮書，SSZY028
，2017 年。

6. Sridhar, Nagarajan。隔離式柵極驅動器的影響。德州儀器(TI) 白皮書
，SLYY140A

，2019 年。

7. Muhlberg、Gunter、Hackmann 博士、Wilhelm、BuzziolKai。高度集成的電動動力總成，ATZ elektronik worldwide，2017 年 4 月。

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