盡管車輛母線電壓在不斷提高,，汽車級認(rèn)證耐壓高達(dá)900V的器件也已接踵而至,，而且不使用光耦器,，可以實現(xiàn)更高輸出精度,，動態(tài)響應(yīng)特性又非常好,，有助于滿足有功能安全要求的牽引逆變器電源" target="_blank">應(yīng)急電源的需求,。
凡是駕齡長些的老司機(jī)都遇到過電瓶沒電或電壓太低打不著車的尷尬，要么需要叫救援,，要么找人搭電,。不管是燃油車還是電動車都會發(fā)生這樣的情況。即使是特斯拉,，也和所有汽油車一樣,，有一個12V小電池（俗稱電瓶）?？纯刺厮估氖謨约纯芍?，那是一塊鉛酸電池。
圖：儀表盤這個燈是車都有
遇到過電瓶問題的老司機(jī)可能都會上網(wǎng)買個應(yīng)急電源放在后備箱里,，以備不時之需,。不過，我這里要聊的可不是連后裝都算不上的應(yīng)急電源,，而是ISO 26262標(biāo)準(zhǔn)整車電源功能安全要求的前裝應(yīng)急電源或備用電源,。
為什么需要應(yīng)急電源
即使是純電動車，除了動力電池外還有一個12V電瓶,，動力電池是為高壓電氣系統(tǒng)供電的蓄電池,，主要用來驅(qū)動汽車電機(jī),，如起動、加速,，能夠深循環(huán)使用,，給大功率子系統(tǒng)供電，而低壓電氣系統(tǒng)就要靠12V電瓶供電,，如各種車載12V電器,，這樣可以省去電壓轉(zhuǎn)換。
此外,，12V電瓶需要在車輛未啟動前,、遇到緊急情況熄火時為各子系統(tǒng)供電，包括剎車,、氣囊傳感器,、速度傳感器、儀表盤,、燈光,、方向盤助力、繼電器,、中控鎖等,，為的是保證安全。
對于燃油車（非混動）,，發(fā)動機(jī)熄火后最多可以再踩一腳剎車,，之后就沒有了剎車（踩不下去）。正常情況下,，電汽車的剎車系統(tǒng)是相對獨立的,，優(yōu)先級很高,，踩下剎車踏板就會產(chǎn)生制動力,。即使在熄火狀態(tài)下，剎車系統(tǒng)也是工作的,，只不過沒有助力,。
此外，在車輛保養(yǎng)維護(hù)時,，需要母線電壓處于SELV（安全低壓）狀態(tài),，以免電池高電壓對工作人員造成人身危害，這時用應(yīng)急電源供電,，車內(nèi)就不會存在高壓,。
既然12V電瓶這么重要，它罷工了該怎么辦呢,？是不是應(yīng)該有一個備份呢,？ISO 26262規(guī)定，如果12V電瓶的電放光了,，不能完成驅(qū)動，方向盤不能轉(zhuǎn),，連剎車都沒有是不允許的，所以公路用車必須滿足功能安全要求,。即使12V電池壞了,，無法供電,，牽引驅(qū)動也不能受影響，要有一個應(yīng)急電源給驅(qū)動電路,、操作電路和執(zhí)行器供電,。
圖：ISO 26262對牽引逆變器性能的規(guī)定
你可能會問，要是動力蓄電池出現(xiàn)故障怎么辦,？事實上這種情況并不少見,，這只能找售后維修了,，因為那畢竟是純電動車中最大的部件，必須認(rèn)真對待,。
圖：這樣就別開了
提高母線電壓是大勢所趨
電動車一般使用交流電機(jī)（如特斯拉是三相交流異步電機(jī)）,，這樣才能利用逆變器實現(xiàn)制動能量回收,。交流電機(jī)的定子繞組等效為一個三相交流電源,，可以產(chǎn)生三相交流電,，其回饋電流通過逆變器變?yōu)橹绷麟姺答伣o直流動力電池（充電）,，完成制動能量回收過程,。如果使用直流電機(jī)，就無法將電動車制動時回收的交流電轉(zhuǎn)換成直流,，儲存到動力電池中,。直流電機(jī)主要用在不需要逆變器（能量回收）的電控玩具,、兩輪或三輪電動車及工業(yè)設(shè)備等,。
那么，為什么要提高母線電壓呢,？作為家庭乘用電動車代表的特斯拉母線電壓是375V到400V。以前,，在商用車中（如大巴車），功率要求比較高,，母線電壓是800V,。隨著技術(shù)進(jìn)步，近年來一些小型乘用車也在向800V過渡,。800V的好處在于：
超快速充電：800V高壓電池組及其配套充電設(shè)備可以將目前快充130-150kW充電功率提升到350kW,，在30分鐘內(nèi)充電至500公里續(xù)航里程，或15分鐘內(nèi)獲得250公里以上的續(xù)航里程,，賦予超快充電以接近加油站的體驗,。
更緊湊的線束和功率電子系統(tǒng)：相比原來的400V電池系統(tǒng)，在800V電壓下傳輸相同功率的電流更小,，導(dǎo)線銅損更低,，可以降低大功率線束的線徑和重量。
易于采用新型功率器件：800V電壓系統(tǒng)也在推動功率電子器件從傳統(tǒng)硅基IGBT轉(zhuǎn)向碳化硅（SiC）工藝技術(shù),。
近年來,，800V母線電壓的電動車型及其配套的超快速充電技術(shù)已悄然出現(xiàn)，例如奔馳AMG Project One超級跑車,，雖然是1.6升V6內(nèi)燃機(jī),，卻搭載了容量是F1車型四倍的800V高壓鋰電池組，實現(xiàn)了有4臺電動機(jī)的大功率混動系統(tǒng),。
圖：奔馳AMG Project One 800V動力總成
再看純電車型,，保時捷Taycan是第一個800V系統(tǒng)車型,，其整車重量因提高電壓減輕了30公斤,，在充電性能、加速性能,、續(xù)航能力方面都樹立了下一代電動力總成系統(tǒng)的標(biāo)桿，同時也降低了成本,。保時捷Mission E也采用了800V高壓鋰電池快充技術(shù),。
奧迪Aicon同樣得益于車身底部大容量800V高壓鋰電池組，其純電續(xù)航里程超過了700公里,。3月，大眾也發(fā)布了支持800V母線電壓的新車型Project Trinity,。
未來的發(fā)展趨勢是，汽車制造商已開始考慮采用1000V甚至1200V母線電壓,。與以前的400V母線電壓相比，產(chǎn)生的熱損耗將是原來的五分之一,。其優(yōu)勢還在于，提高電壓可以降低散熱,，減輕整車重量,。
隨之而來的新要求是,，電源必須能夠在高母線電壓下安全可靠地工作,。根據(jù)ISO 26262要求，電動車的動力總成,，包括將直流電變成交流電的牽引逆變器,、驅(qū)動車輪轉(zhuǎn)動的交流電機(jī)，都要有在12V電池出現(xiàn)故障時保證動力部分能夠工作的應(yīng)急電源,。
怎樣實現(xiàn)耐高壓應(yīng)急電源
逆變器是由半橋電路構(gòu)成的,，由門極驅(qū)動電路驅(qū)動半橋電路的上管和下管（MOSFET）,，同時還要進(jìn)行隔離保護(hù),。在沒有12V母線電壓的情況下，總母線電壓還在,，即400V,、800V或1000V，所以應(yīng)急電源供電來自于總母線電壓,。
隨著母線電壓的不斷提高,，要求應(yīng)急電源內(nèi)部的開關(guān)MOSFET也要耐受更高的輸入電壓，必須能夠在30V到925V（限于800V母線電壓）輸入電壓范圍內(nèi)工作,。之前Power Integrations（PI）已有針對400V母線電壓應(yīng)用的InnoSwitch3-AQ,，其內(nèi)部集成了750V MOSFET，AQ代表經(jīng)汽車認(rèn)證的車規(guī)級芯片,。
現(xiàn)在,，InnoSwitch3-AQ的耐壓已提升到900V，以應(yīng)對更高母線電壓的需求,。PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光解釋說,，隔離式電源有初級和次級,，現(xiàn)有方案一般采用PSR（初級側(cè)穩(wěn)壓）控制器 + 800V MOSFET + 疊加場效應(yīng)晶體管。實際上是兩個開關(guān)MOSFET（上管和下管）加一個控制器,。
為什么不用次級反饋方式呢,？他表示，因為汽車應(yīng)用的工作環(huán)境非常惡劣,，包括顛簸,、溫差、濕度變化,，使用光耦器的次級反饋特性會受到很大影響,，所以傳統(tǒng)方案都不用光耦器，而使用PSR方案,。PSR的缺點是穩(wěn)壓精度差,，不支持多路輸出，而且必須用二極管來做次級整流,，效率比較低,；另外，PSR元件數(shù)目多,，功耗比較大,。
InnoSwitch3-AQ是一種反激電路，耐壓已提高到900V,，可以滿足AECQ100汽車認(rèn)證要求,。加上一個Stack FET，疊加一個開關(guān)后,，就可以滿足800V母線電壓應(yīng)用,。初級、次級利用FluxLink? 反饋,，實際上是一種次級側(cè)恒壓恒流方案,。
圖：InnoSwitch? 3-AQ基本反激電路
在輸出調(diào)整率方面，因為是次級穩(wěn)壓,，所以無論是負(fù)載調(diào)整率還是輸入電壓調(diào)整率都可以做到1%至負(fù)3%的精度,，高精度有助于實現(xiàn)快速動態(tài)響應(yīng)特性。
另外,，磁感耦合的FluxLink? 鏈路連接可以省去光耦,，芯片內(nèi)初級和次級之間兩個線圈間距為0.47mm，芯片外部的爬電距離達(dá)11mm,。這對于汽車應(yīng)用非常必要,，因為汽車是多灰塵、潮濕的環(huán)境，安全性要求比較高,，除了電氣隔離,，還有IC封裝材料提供加強(qiáng)絕緣，全部產(chǎn)品都通過了4500V的耐壓測試,。
圖：FluxLink磁感耦合方式
相比初級側(cè)檢測方案,，900V的InnoSwitch3-AQ在次級側(cè)直接監(jiān)測反饋,，優(yōu)勢在于驅(qū)動精度更高,，不用因前級電路穩(wěn)壓不好而增加后面的DC-DC轉(zhuǎn)換，避免降低效率和增加成本,。汽車中溫度很高,，車內(nèi)環(huán)境溫度可高達(dá)85℃，要求足夠高的電源效率,。StackFET則增加了設(shè)計靈活性,，有利于改善高壓MOSFET的應(yīng)力和溫升特性。由于是次級側(cè)檢測,，多路輸出非常容易,，還可以用同步整流改善效率。
采用Stack FET可以滿足925V的母線電壓,，只要使用不同的Stack FET配合InnoSwitch3-AQ,，就可以應(yīng)對不同母線電壓需求。DC輸入電壓可以是500V到1200V,，在上面疊加MOSFET,，用兩個MOSFET串聯(lián)以增加耐壓。在InnoSwitch3-AQ上面可以再加一個MOSFET,，其耐壓可以根據(jù)需要選擇,，如800V、900V,、1000V,、1200V，從而提高上管耐壓,。
選用不同耐壓的MOSFET可以擴(kuò)展方案,，實現(xiàn)不同的輸入電壓范圍。如果采用更高耐壓的MOSFET,，甚至可以支持1700V的VDS電壓,。
圖：支持高達(dá)1700V的VDS電壓的方案
汽車中可用空間比較有限，電氣部分的逆變器,、電源的空間很狹窄,，所以必須把電路板做得高效、緊湊。Stack FET可以適應(yīng)更寬的輸電范圍,，減少元件數(shù)目,，實現(xiàn)非常簡潔的電路板，同時提升電源可靠性,。
圖：元件數(shù)目很少的參考樣板
在效率方面,，該方案滿載400VDC的效率可以做到87%，如果輸入電壓為1250V,，也能夠達(dá)到75%的效率,。看上去75%不是很高,，但如果用PSR方案滿載效率只有60%左右,，差十幾個點，因為高輸入電壓決定了很難把PSR效率做得更高,。
圖：高效率和低熱損特性
雖然電動車空載功耗往往不那么重要,，但如果把車停在那里兩個月之久，實際上是在釋放電池電力,，會影響電池壽命,；即使應(yīng)急電源沒有工作，但空載功耗對于整車的電池壽命也是有影響的,。InnoSwitch3-AQ的空載功耗非常低,，在800V時小于36mW。
圖：極低的空載輸入功率
期待以前裝代替搭電
目前,，大多數(shù)車輛的12V電瓶沒電或電壓太低時,，都要使用外接應(yīng)急電源或找另一輛車搭電，因為這時牽引逆變器門級無法驅(qū)動車輛動力傳動系統(tǒng),。車輛前裝應(yīng)急電源就可以解決這個問題,。
盡管車輛母線電壓在不斷提高，汽車級認(rèn)證耐壓高達(dá)900V的器件也已接踵而至,，而且不使用光耦器,，可以實現(xiàn)更高輸出精度，動態(tài)響應(yīng)特性又非常好,，有助于滿足有功能安全要求的牽引逆變器應(yīng)急電源的需求,。
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