電動車 (EV) 及混合動力汽車 (HEV) 不斷演變發展，其內部的電子裝置也是如此。電子裝置數量的增加也影響汽車的整體外型及功能。不過，駕駛者的心態並未改變，仍然期望 EV 及 HEV 能在經濟實惠的情況下，持續行駛更長的距離、加快充電速度，並提高安全性。因此，設計人員開始思考要如何花費更低的成本讓駕駛者享有更多效益？
隨著安全、功率密度及電磁干擾 (EMI) 等規範日趨嚴格，各種不同的電源架構誕生來協助因應各種挑戰，例如重要的負載提供個別偏壓電源的分散式電源架構等。
電動車傳統的偏壓電源架構
汽車設計工程師可依據電動車的電源供應需求，針對特定電源架構設計各種方案。圖 1 顯示的傳統方法屬於集中式電源架構，其中使用一個中央變壓器及單一偏壓控制器，為所有閘極驅動器產生偏壓電壓。
圖 1：HEV/EV 牽引逆變器的集中式架構
集中式架構因成本低而成為熱門的解決方案，但較難以管理故障及調節電壓，也不容易配置。集中式架構也可能受到更多雜訊干擾，並需要在系統的單一區域設置高大且沉重的元件。
最後，以可靠度及安全性能作為優先考量因素，對電源供應缺乏備援能力的集中式架構而言，如果偏壓供應之中有一個元件失效，就可能造成大規模的系統故障。使用分散式架構可避免電源供應故障，並讓系統運作更可靠。
以分散式架構實現高可靠性
如果汽車以 65 英哩的時速行駛，結果牽引逆變器馬達之中的小型電子元件發生故障，沒有人希望汽車突然完全停駛，或引擎無法發動。為了確保安全和可靠性，在動力傳動系統內採用備用供應的電源已成為常態。
分散式電源架構能夠近距離向各個閘極驅動器指派專屬該區域且調節完善的偏壓電源供應，達到電動車環境所需的可靠度標準。這類架構提供備援能力，並可改善系統對單點故障的反應方式。舉例來說，如果與閘極驅動器配對的單一偏壓電源故障，另五個偏壓電源仍可正常運作，與其配對的閘極驅動器也能繼續使用。如果六個閘極驅動器之中有五個維持正常運作，馬達就能在妥善控制的情況下減速停機，或是繼續運作下去。使用這樣的電源系統設計，車輛中的乘客甚至不會察覺到任何干擾。
返馳及推挽式控制器等外部變壓器，由於在高度、重量及面積等方面都相當龐大，而阻礙分散式架構在輕型電子裝置中的使用。電動車電源系統需要更先進的元件，例如 UCC14240-Q1 絕緣式 DC/DC 偏壓供應模組，這類更小型的整合式變壓器模組不但具有低高度的平板式磁性元件，也幫助將變壓器及元件整合在一個最佳化的模組解決方案中。
將平面變壓器整合在電路大小的整合式封裝中，可以大幅縮減電源系統的尺寸、高度和重量。UCC14240-Q1 整合變壓器及絕緣設計，能夠輕鬆控制及降低一次到二次側寄生電容，協助在密集和快速切換的應用中加強共模瞬態抗擾度 (CMTI)。完全整合的一次到二次控制搭配絕緣設計，可在單一裝置中實現穩壓 ±1.3% 的絕緣式 DC/DC 偏壓供應。UCC14240-Q1 可在高達 105°C 的溫度下實現 1.5 W 的輸出功率，因此能在如圖 2 所示的分散式架構中供電給閘極驅動器。
圖 2：EV/HEV 牽引逆變器 (使用 UCC14240-Q1) 的分散式架構
在分散式架構驅動動力傳動系統的其他考量因素
電動車需要高標準的可靠度及安全性，同樣要求也適用於電源轉換的個別電子裝置。各種元件必須在 125°C 以上的環境溫度中，以妥善控制且經過驗證的方式運作。智能的絕緣式閘極驅動器包含多項安全及診斷功能。系統中向閘極驅動器及其他電子裝置供電的低功率偏壓供應器，也需要使用各種進階設計，包括實現低 EMI 的各種方法。UCC14240-Q1 運用 TI 整合式變壓器技術，以及低電容的 3.5-pF 一次到二次側寄生電容，可減輕高速切換產生的 EMI，並能輕鬆實現 150 V/ns 以上的 CMTI。
在分散式架構中，偏壓供應器位置接近絕緣閘極驅動器，可確保簡化印刷電路板佈線圖，並能更妥善調節向閘極驅動器供電的電壓，最終驅動電源開關閘極。以上因素可提升牽引逆變器的效率及可靠度，使其在 100 kW 至 500 kW 的範圍內運作。這類高功率系統需要最高效率來確保盡可能降低熱損耗，因為熱應力是元件故障主要的原因之一。
由於這類電動車電源系統的功率持續提升，現在是時候考慮使用碳化矽和氮化鎵電源開關來實現更小、更高效的電源供應了。這兩種半導體技術具有多項效益，不過和較成熟及傳統的絕緣閘雙極電晶體相比，除了需要更緊密調節的閘極驅動器電壓。他們也需要元件在安全隔離層提供低電容及高 CMTI，因為元件需要以突破過往極限的更快速邊緣速率切換高電壓。
協助電動車邁向可靠及長距離行駛的未來
駕駛者將會持續地有車輛低排放量、行駛距離延長、安全性及可靠度加強且成本更低的需求。唯有電力電子領域的進展成果、電源架構及其相關絕緣式閘極驅動器和偏壓供應器的創新成果，才能使電動車實現以上要求。
改用分散式電源架構可大幅提升絕緣式高壓環境的可靠度，不過必須面對額外元件的尺寸及重量增加的挑戰。如UCC14240-Q1 偏壓供應模組的完全整合電源解決方案，能夠進行高頻率切換，並同時縮減系統級的空間及重量。
其他資源
- 歡迎查看以下白皮書：
- 「高效整合式動力傳動解決方案： EV 普及的關鍵所在。」
- 「穿過隔離障礙供電：隔離式 DC/DC 電源的概況」。」
- 下載 UCC14240-Q1 產品規格表。
- 下載 UCC5870-Q1 產品規格表。
- 請參閱技術文章：「薄型隔離電源解決方案的價值。」
