应对高成本和里程焦虑，TI 为电动汽车普及再发力

我国新能源汽车正在高速发展。今年以来，新能源汽车产销快速增长，与传统燃油车走势形成强烈差异化的特征，对燃油车市场的替代效应逐渐显现。据公安部交通管理局消息，截至2021年9月，全国新能源汽车保有量达678万辆，占汽车总量的2.28%。其中纯电动汽车保有量552万辆，占新能源汽车总量的81.53%。根据中汽协发布的数据，9月，我国新能源汽车销量首次突破35万辆，创历史新高。

与此同时，随着政府“双碳”战略的推进，新能源汽车也迎来了重要的发展机遇。根据摩根大通预测，到 2025 年，电动汽车在全球汽车销量的占比将增至 30% 。而当前阻碍电动汽车在消费者中普及的关键因素则是购买价格和行驶里程。

价格是电动汽车绕不过去的一环，从购置开销开看，以比亚迪唐为例，EV版比燃油版贵了近十万；使用开销呢，充电过程中额外会带来停车费开销，充电价格优势又不太明显，如今每千瓦时的平均电价已超过1000美元。好消息是到2024年，价格预计将跌至100美元以下。随着越来越多的公司接受电动汽车并对其技术进行创新，价格将继续下降。

随着价格的下降，电动汽车的行驶范围正在增加。现在新款的电动汽车一次充电实际行驶里程已达480公里以上。随着行驶距离和充电站数量逐渐增加，越来越多的消费者愿意购买电动汽车。 

在电动汽车技术发展之路上，TI以独特优势引领着技术进步与创新。TI汽车系统工程与市场营销部门总监Manack Ryan表示，TI的目标是降低汽车制造商的生产成本和消费者的购买价格，进而使得电动汽车得到更广泛的应用。

改用分布式架构

由于成本较低，集中式架构解决方案历来广受欢迎，其使用一个中央变压器和一个偏置控制器来为所有栅极驱动器生成偏置电压。但这种架构给实际应用带来了很大挑战，单一变压器体积大、成本高，并且占据相当大的空间，且在结构振动控制方面表现不佳。此外，集中式架构的电源缺乏冗余，一旦偏置电源中的单个元件出现故障，整个系统亦会瘫痪。

部署分布式架构则可防止电源故障，从而打造更可靠的系统。动力总成系统内的安全冗余和备用电源已成为确保安全性和可靠性的标配。分布式电源架构可为每个栅极驱动器分配一个与其靠近的专用的、本地的、方便调节的偏置电源，以满足电动汽车应用环境中的可靠性要求，因此可以提供冗余并提高系统对单点故障的反应能力。

在分布式系统中，如果某个偏置电源或栅极驱动器出现故障，其余五个偏置电源仍在工作，汽车也将进入安全模式，自动停靠在路边等待下一步操作。分布式架构实现了体积更小、重量更轻，抗振性更佳的优点。

Manack Ryan表示，TI的技术和专业知识可以帮助客户集成动力系统，以降低成本，简化设计，提高功能安全，增强可靠性。动力系统集成还能够通过在更小的解决方案中实现更高的功率来扩展驱动范围，提高系统效率，并提高功率密度。

更小的集成变压器模块

——UCC14240-Q1

外部变压器偏置电源（如反激式和推挽式控制器）很高、很重且占用面积较大，阻碍了分布式架构在轻型电子设备中的使用。电动汽车电源系统需要更先进的器件，即更小的集成变压器模块。为此，TI近期发布了全新的UCC14240-Q1隔离式直流/直流偏置电源模块，它可将变压器和元件集成到一个经优化的、具有低高度的平面磁性元件模块解决方案中，有助于实现半分布式和分布式电源架构。

UCC14240-Q1隔离式直流/直流偏置电源模块（图源：TI公司）

UCC14240-Q1是业界最小、最精确的1.5W隔离式DC/DC电源模块。使用该产品，可以将性能和功率密度提高到一个新的水平，同时通过简单易用的设备更快地进入市场。

UCC14240-Q1 VS. 传统解决方案（图源：TI公司）

将传统解决方案与TI的UCC14240-Q1进行比较，可以发现反激式和推挽式转换器通常以低于中波（AM）无线电频段的开关频率工作，开关频率为550kHz及以下。这种较低的开关操作频率，加上高压系统需要的爬电距离和电气间隙，导致变压器相对较大。在本例中，额定电压的有效值为2000VRMS的推挽变压器使用12mm×15mm的封装面积和11mm的高度。

相较而言，TI的集成变压器技术为系统带来了明显的尺寸效益。变压器集成在电路板内部，与传统方案相比，尺寸降低了7mm以上，缩小了一半面积并将厚度降低至3.55mm。此外，TI解决方案的额定绝缘电压更高，为3000VRMS。该款产品的绝缘性能经由100%的生产测试和独立的第三方认证。

此外，该款产品使用专有集成变压技术，UCC14240-Q1将整流器、缓冲器和电压调节器等功能融入电路板中，消除了对复杂外部组件的需求，为设计工程师节省了大量的开发时间。通过集成变压技术，工程师可将其解决方案的体积缩小75%，并将BOM组件数量从26个缩减至10个。

UCC14240-Q1特性（图源：TI公司）

由于UCC14240-Q1具有尺寸和效率方面的优势，因此可实现更高的功率密度和系统效率，使汽车在每次充电后行驶更远的里程。这款双路输出电源模块的效率为60%，比传统的偏置电源高一倍，这使得功率密度翻倍，而且有助于提高汽车行驶里程。该器件的输出功率旨在支持多种汽车应用，在105°C的环境温度下，UCC14240-Q1的功率超过1.5W，支持工程师在高频率下驱动绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 开关。

UCC14240-Q1的另一个特点在于实现更低的EMI。由于其初级到次级电容非常低，仅为3.5pF，而传统反激式和推挽式电路中常用的变压器存在初级到次级电容的问题，大概从10pF到35pF，因为它们必须限制电路中的漏感并将绕组推得更近。TI的集成变压器技术限制了这种电容，当与软开关控制方案结合使用时，可以限制EMI。

UCC14240-Q1不仅提供正负输出用于优化开关，还具有闭环调节功能，能够在-40℃~150℃的汽车温度范围内将两个输出电压调节到±1%的精度范围以内。由于器件容差小，因此可以使用更小的电源开关，同时增强过流保护。此外，该器件全面集成了故障监控、过流保护、过功率保护和过热保护。还具有经第三方认证的3kVrms隔离电压，而且因为很轻的重量和3.55mm的厚度，可实现卓越的抗振性。

Manack Ryan最后表示，这是目前市场上最小的解决方案，它可以用于电路板的顶部和底部，从而为设计提供更大的灵活性。为了更多消费者更放心地购买电动汽车，诸如TI这类技术创新者正在持续努力，不断攻克电动汽车普及之路上的各项技术痛点，打消各种可能的顾虑，为电动汽车的广泛推行发挥着积极作用。