PI五大参考设计重塑新能源汽车电源架构

随着比亚迪推出兆瓦级线充技术、车企争相布局800V高压平台，新能源汽车对电源系统的需求从满足基础功能转向挑战性能极限。从牵引逆变器到电池管理系统，传统低压供电架构的效率瓶颈、空间占用、安全冗余不足等问题也在日益凸显，成为制约整车性能升级的关键因素。

近日深耕电源芯片领域30余年的Power Integrations（以下简称PI），凭借其高压DC-DC转换技术与平面变压器创新方案，推出五款面向800V汽车应用的全新参考设计，涵盖16W至120W的功率水平，完美适配于汽车应用中的DC-DC母线变换、牵引逆变器、应急电源(EPS)、电池管理(BMS)和辅助系统电源等多种应用场景。

DC-DC变换器与汽车的结合点

如今，新能源汽车的高速发展使得汽车对于高压DC-DC变换的需求日益增多。为了实现更快速地充电，电池包的母线需要达到更高的电压，而随着电池包母线电压的跃升，传统基于PWM 控制器加分立功率器件的电源架构将面临两大挑战，一是低压转换带来的能量损耗在高压场景下被指数级放大，二是复杂的多级转换电路挤占本已紧张的底盘空间。这就需要对高压转低压的电源进行更好地优化。PI高压转低压的DC-DC产品目前已应用在汽车上的不同区域，利用PI电源芯片的优良架构，可以实现传统DC-DC控制器加单管架构不能达到的高性能特点，满足汽车上不同区域的特殊供电需求。

以牵引逆变器为例，其核心部件栅极驱动器过去依赖12V电池供电，但新一代SiC模块对驱动电压的精度与响应速度要求更高。PI提出的解决方案是直接用高压母线通过DC-DC转换供电，省去中间环节，从而提升效率，减少PCB占板面积。  

在PI已量产的牵引逆变器方案中，应急电源的设计尤为关键。当12V低压母线意外掉电时，系统需要在毫秒级的时间内切换到应急电源，并且持续供电。PI资深FAE王晓戈认为，这种双保险机制不仅满足ASIL-D功能安全等级要求，还可支持辅助驾驶系统在极端情况下的持续运行。在OBC方面，现在通常的做法是将OBC和DC-DC做在一起，辅助电源可以通过高压转低压的形式去做备份。同样在动力转向方面，现在对电源有更多的要求，因为在主动悬架类型的应用中，为了满足系统的大电流需求，可能需要把传统的24V/48V供电慢慢切换到高压供电，以实现短时间的大功率、小体积的供电。

PI的更大野心在于彻底淘汰12V铅酸电池。通过高压转低压的DC-DC自供电方案，BMS可直接从高压母线取电，这样既可以满足高效率的辅助供电，同时还可以实现功能安全上的备份要求。基于PI产品的优秀的待机功耗特性，可以支持24小时不间断监控。

充分发挥InnoSwitch3-AQ的优势

PI进入汽车领域的时间不算长，但发展非常迅速。这得益于PI高能效电源转换的高压模拟集成电路业界的领先供应商的定位，其推出的内部集成1700V耐压SiC功率开关的InnoSwitch3-AQ开关电源IC可提供高达120W的输出功率，非常适用于800V汽车应用。新推出的五个参考设计也将InnoSwitch3-AQ的优势充分发挥。

PI资深FAE王晓戈表示，InnoSwitch3-AQ具有同步整流功能，单个控制器优化同步整流时序和Fluxlink通信功能；采用宽禁带初级开关，即使在高VDC下也能保持低开关损耗；高效率开关控制方法，在整个输入电压及负载范围内效率恒定，开关频率和电流限流点随负载变化；集成的初级电流限流点，降低导通损耗等功能。

借助InnoSwitch3-AQ的高集成功能，工程师可将电源的BOM元件数量减少一半，从而节省空间、增强系统可靠性并缓解元器件采购所面临的挑战。该器件可以在漏极电压低至30V的情况下启动，无需外部启动电路。此外，还具有包括输入欠压保护、输出过压保护和过流限制在内的保护功能。空载功耗小于15mW，无需使用光耦器，可提供超过91%的效率。

值得一提的是，5个新参考设计方案上的InnoSwitch3-AQ芯片均采用了PI的新型InSOP-28G封装，具有5.1mm的宽漏源极引脚爬电距离，该封装可在初级侧施加1000VDC的高压，无需喷涂三防漆，同时能够在2级污染的环境当中在引脚之间提供适当的爬电距离和电气间隙。

从芯片到系统的“交钥匙”方案

现在汽车厂商都在追求给乘客提供更大的物理空间，随着产品小型化趋势愈演愈烈，模块在各个维度（X、Y、Z）上受到的限制越来越大，这也为工程师提供了创新机会。减小逆变器传动系统的尺寸40%以上就可以非常方便地实现四驱动力，扩大车内空间，降低底盘高度。现在厂家都在做新架构的研发，这也对电源提出了在更小的尺寸空间里提供满足功能需要的供电要求，这将能够发挥出PI电源芯片的小体积、高性能、复杂性低的优势。

举例来说，PI新推出的35W超薄型牵引逆变器门极驱动或应急电源，一路24V牵引逆变器栅极驱动输出或应急电源输出，RDK-994Q特性有加强绝缘，扁平分立变压器设计（高度受电容限制），VIN：40–1000V，VOUT：24V，POUT：35W，尺寸为118x50x18mm，牵引逆变器栅极驱动或应急电源。

16W四路输出超紧凑电源，一路为14V应急电源(EPS)输出，三路分别有+18V/-5V输出电压的门极驱动输出，提供基本绝缘的高压侧栅极驱动输出。DER-1045Q特性有加强绝缘，四路输出设计，VIN：200–1000V，VOUT1：14V，VOUT2,3,4：+18/-5V，POUT：20W，输出1应急电源，输出2-4提供基本绝缘的高压侧栅极驱动输出。牵引逆变器栅极驱动和应急电源。

20W四路输出超紧凑电源，一路输出为24.75V的应急电源(EPS)，三路输出为25.5V的门极驱动电源，具有共模电感的去耦栅极驱动输出，DER-1030Q特性有加强绝缘，四路输出设计，VIN：40–950V，VOUT1：24.75V，VOUT2,3,4：25.5V，POUT：20W。输出1应急电源，输出2-4具有共模电感的去耦栅极驱动输出。牵引逆变器栅极驱动和应急电源。

平面变压器有超小体积和超低高度的特性，其重心更低，振动更小，空间更紧凑，能够更好管控整个生产制程，并且比传统的绕线变压器更轻，一致性更好。目前平面变压器在不断刷新降低板高的记录，从20mm到15mm，再到13mm。它符合IEC 60664-1和IEC 60664-4标准，并提供加强绝缘，使用寿命长，可靠性高，BMS（电池包）可全天候持续工作20年。平面变压器正在汽车应用上快速普及，PI也推出了平面变压器的整套方案。

王晓戈表示，平面变压器的设计难点就在于多层PCB的设计既要兼顾性能，还要兼顾高压的加强绝缘，尤其是高至1000V的高压，采用1700V SiC InnoSwitch 3-AQ可实现超扁平设计，支持1000V电压，具有加强绝缘功能，结构紧凑，性价比高，质量减轻（抗振），实现100%过程控制。同时全新宽爬电距离的InnoSwitch3-AQ封装简化了结构，InSOP-28封装将初级侧间距从3.35mm增加至5.1mm，无需喷涂三防漆，满足污染等级II的安规需求。并且PI在官网提供了很好的设计工具，可以针对平板变压器的需求实现快速设计。

PI的超薄参考设计RDK-1039Q，是一款采用平面变压器的18W超薄应急电源，用于牵引逆变器门极驱动器或应急电源。RDK-1039Q特性有取代分立变压器，加强绝缘，扁平（高度仅受电容限制），VIN：100–1000V，VOUT：12V，POUT：18W/36W（单路最小值），尺寸为77x50.5x12.5mm，牵引逆变器栅极驱动或应急电源。

120W超紧凑平面电源，设计用于缩小或消除笨重的12V电池，RDK-1054Q特性有元件数目少，没有散热片，采用平面变压器，加强绝缘，扁平（高度受电容限制），VIN：200–900V，VOUT：12V，POUT：120W，尺寸为99x62x14.6mm，缩小或消除笨重的12V电池。

面对新能源汽车电源设计的全新挑战，PI已备好从芯片到整体解决方案的完整工具箱。工程师可以通过分销商或从P I官网获取五个参考设计的详尽的设计规格、电路原理图、PCB布局、物料清单(BOM)、变压器设计、性能数据、波形与Gerber文件。

从400V到1000V高压平台，从绕线变压器到平面变压器，PI的技术演进始终与汽车行业的发展同频共振。随着不同参考设计的落地，PI不仅为车企提供了高效、紧凑的电源完整解决方案，更为智能驾驶时代的电源安全树立了新标杆。或许在未来，这场由PI发起的高压驱动的电源架构革命将重塑整个汽车电子生态。