新能源汽车高压控制器发展趋势

[导读]电气化正在重塑汽车行业。电动汽车 (EV) 不仅需要广泛使用电池来提供能量，还需要大量使用电力电子设备来为电池充电，最有效地利用电力并从制动中获取能量，以及延长电池寿命的其他机会。从内燃机 (ICE) 向电力牵引的转变不仅需要更广泛的电力电子设备，还需要能够在远高于过去使用的电压下运行的设备。

电气化正在重塑汽车行业。电动汽车 (EV) 不仅需要广泛使用电池来提供能量，还需要大量使用电力电子设备来为电池充电，最有效地利用电力并从制动中获取能量，以及延长电池寿命的其他机会。从内燃机 (ICE) 向电力牵引的转变不仅需要更广泛的电力电子设备，还需要能够在远高于过去使用的电压下运行的设备。

图1：新能源汽车高压架构

新能源汽车高压架构升级

电动汽车的电气系统延伸到车辆的所有部件，充电和配电系统(如图 1 所示)在车辆连接到主电源时为电池供电。在行驶过程中，充电和配电系统为电驱动系统和电机以及其他子系统(如热管理)供电。早期的电动汽车使用 400V 电源轨连接这些子系统。然而，现在的趋势是向 800V 平台发展，以利用快速充电技术以及在此电压水平下高扭矩或高速度下传动系统的更高效率。市场研究表明，到 2025 年初，基于 800V 架构的汽车销量将达到约 100 万辆，到当年年底将翻一番。

升级至 800V 有两个关键优势。首先，在 800V 下，电池可以更快地充电，从而减轻了人们对车辆续航里程和充电时间的担忧。另一个优势是，800V 平台在高功率输出水平下能耗更低，这增加了有效续航里程。

800V平台的升级方案多种多样，趋势是全系统采用高压，保证全系统电压稳定、均匀。另外为了兼容现有400V平台直流充电桩，增加了升压单元，目前最常见的升压单元集成在电驱动系统中，与电机控制器采用同一个功率器件，有利于降低成本。

图 2：升压装置可与现有的 400V 平台兼容

主逆变控制器现状及技术发展趋势

同时，为了满足市场需求，电气子系统必须以低成本制造，同时提供高性能、小尺寸和低重量。这些需求导致了电机、控制器、减速器和其他部件的更高集成度趋势。由于零件集成，可以节省外壳和配件以及高压电缆。集成还倾向于提高电磁兼容性 (EMC)，整体上对屏蔽的需求较少。

集成有多种级别。集成电驱动系统代表电机和控制器或电机的二合一集成。这逐渐发展为三合一设计，即集成电机、控制器和减速器架构，最终将它们全部安装在一个外壳内。

图3：一体化电机、控制器、减速器结构

牵引逆变器由低压控制单元和高压功率级组成。低压控制单元包括电机控制单元 (MCU)、CAN 收发器、门驱动器、信号检测电路以及 SBC/PMIC 或一些电源电路。高压功率级主要由功率器件组成，例如功率模块或分立器件。为保证高低压安全，低压控制单元和高压功率级之间必须使用增强绝缘的隔离芯片。

图 4：基于 MCU 的环境中栅极驱动器电路的隔离

高集成隔离解决方案

光耦合器因其低成本特性而在工业市场中得到广泛应用，但由于其存在光衰问题，在汽车应用中相对较少见。电容隔离利用电场的耦合效应将信号传递到绝缘体上。它采用半导体工艺技术，消除了光衰问题。数字隔离器不仅可以通过多通道集成来减小尺寸，而且还提供更高的 CMTI 和更长的使用寿命，使其在汽车应用中得到广泛应用。

电容隔离的数字特性允许使用噪声抑制技术来防止电压尖峰干扰高频控制处理器的传感器输入。例如，NOVOSENSE Microelectronics 使用自适应形式的开关键控 (OOK) 来处理其电容隔离设备两侧之间的通信。通过适应高压侧产生的噪声，该协议可以实现对共模瞬变的高免疫力，而这对传统隔离组件来说可能是麻烦的。NOVOSENSE 的隔离技术可以实现高达 200kV/µs 的共模瞬变免疫力。

由于电容元件可以轻松集成到单个 IC 中，这种耦合形式可为同一封装内的多个通道提供高隔离保护，并且通信速率高。这反过来又支持汽车设计所需的高通道数。该技术还支持其他功能的集成，例如用于控制功率晶体管的栅极驱动器。

隔离栅极驱动器是牵引逆变器和OBC系统的关键组件。特别是在牵引逆变器应用中，需要功能安全，并且还需要更高的CMTI来应对复杂的系统环境。在800V平台中，dv/dt较大，这会影响系统的EMI;因此，良好的驱动器设计可以降低dv/dt以优化EMI。NOVOSENSE的NSI6602可在SOP16(300mil)或SOP14(300mil)封装中提供5700Vrms隔离。其系统稳健性由150kV/us典型共模瞬态抗扰度(CMTI)支持。因此，它被广泛应用于OBC系统。

电流和电压采样对于维持系统正常运行至关重要。它们可以通过使用隔离放大器和霍尔电流传感器来实现。隔离放大器是具有电流隔离的运算放大器(op amp)，例如NSI1311NOVOSENSE 生产的霍尔效应传感器，广泛用于牵引逆变器和 OBC 应用中的隔离电流传感。它具有高 CMTI，可确保该组件能够提供准确可靠的测量结果，即使与牵引逆变器应用中遇到的大功率开关一起工作也是如此。霍尔电流传感器可以利用霍尔效应检测载体产生的磁场，可提供高精度，输出误差最大为 2%，非线性仅为 0.2%。对于 NOVOSENSE 生产的霍尔效应传感器，最大带宽可达 2MHz。

同样，CAN 连接所需的接口电路也为集成隔离提供了另一个机会。例如NOVOSENSE 的NSI1050和NSI1042-Q1。NSI1050结合了基于电容技术的双通道隔离器，可提供高达 5kVrms 的保护，以及能够支持高达 1Mb/s 数据速率的 CAN 收发器。NSI1042-Q1 将最大数据速率提高到 5Mb/s，并且可以以满足严格的 AEC-Q100 认证的形式提供。