平面变压器、μDC/DC加速落地，PI破解800V平台高压转换难题

电子发烧友网报道（文/莫婷婷）随着传统汽车向新能源汽车升级，与电源管理相关的应用迎来全面升级，特别是汽车向 800V 高压平台推进的过程中，对高压转换设计迎来了新的需求。为了解决上述需求，PI（Power Integrations）推出五款面向800V汽车应用的全新参考设计，这些参考设计基于该公司的1700V InnoSwitch™3-AQ反激式开关IC实现。

从12V到800V：解读电动汽车高压化背后的电源革命难题

与新能源汽车相比，传统燃油汽车跟电源管理相关应用的电压等级相对比较低的，例如乘用车上通常采用的12V低压铅酸电池。所以车上绝大部分的电源转换都是基于12V的低压电子电气架构。

但在进入新能源汽车时代后，电子电气架构转向400V、800V高压平台，又如比亚迪发布了兆瓦闪充电池，最高充电电压1000V，华为等企业也在跟进相关技术。PI资深FAE王晓戈指出要实现这样的快速充电，电池包的母线需要达到更高的电压，就对高压转低压的DC/DC变换器性能提出了更高要求，这也对电源设计带来了更多挑战。

PI专注于高效、高可靠性电源解决方案的研发与创新，其DC/DC变换器在汽车领域可以用到应急电源、牵引逆变器栅极驱动器电源、BMS、OBC、12V待机电源、μDC/DC变换器、动力转向等不同的应用领域，可以实现传统DC/DC控制器架构不能实现的性能特点，由此满足车上不同的供电需求。


在与客户交流的过程中，PI发现针对高压平台客户正在寻求更加集成化、高效化和智能化的电源解决方案，不少客户对于电源提出了新的需求。

例如应急电源的新需求，12V电池是低压母线的主要供电来源，但在一些特殊情况下，12V电池电压会骤降甚至完全掉电，引发整车控制系统关键功能失效，此时需要有应急电源可以及时做补充，保障紧急停车转向、制动、车身稳定控制等关键系统的正常工作。这就可以通过高压电池配合DC/DC，将高压直流电转换为12V低压直流电持续供电，提升整车的可靠性和安全性。

动力转向方面也有新的需求，特别是在主动悬架系统等应用中，为了满足系统的大电流需求，需要把传统的24V、48V供电切换到高压供电，实现小体积且更高功率输出供电架构。

PI关注到一个新的概念正在行业内被反复提起：μDC/DC变换器。它的特征在于，在原有12V电池供电系统中，引入一种高度集成、体积小巧且高效的电源模块，可以取代部分甚至全部的12V电池供电系统。这一技术的提出，标志着汽车低压供电架构正在经历一次重要的革新。

王晓戈提到，“这个概念得到了越来越多客户的认可，我们有很多基于μDC/DC架构的应用案例已经进入实车设计阶段”。可以期待，随着越来越多领先的汽车制造商将这项技术集成到下一代车型中，未来搭载μDC/DC变换器架构的车型也将逐一量产。

在汽车动力系统升级的过程中，最不能忽视还有集成化。当前有越来越多新能源汽车产业链上的企业投入创新架构的研发，例如为了适配新能源汽车800V平台应用，不少企业推出了嵌入式功率模块，将原本独立封装的主功率模块嵌入PCB基板中，这种高度集成的设计方式在减少系统整体体积的同时，实现了更高的转换效率和更稳定的运行表现。这一种技术演进也对配套辅助电源系统提出新的要求，其对应的电源供电方案要在更小的尺寸空间里提供满足功能需要的供电需求。王晓戈指出。


PI创新平面变压器方案，实现超薄设计灵活性
PI是如何以创新电源方案应对电动汽车电子电气架构升级的痛点呢？

在2024年9月，PI正式发布了在800V新能源汽车架构中广受欢迎的1700V InnoSwitch3-AQ反激式开关IC产品系列新的InSOP-28封装，采用1700V碳化硅（SiC）开关技术，无需使用光耦器，且提供了更高的电压余量（200-300V）。

InnoSwitch3-AQ系列采用了多种技术，具备明显的效率优势，一是内置同步整流控制器，还采用了PI独有的Fluxlink™通信；二是宽禁带初级开关，即使在高VDC下也能保持低开关损耗；三是提供了高效率变频开关控制方法；四是集成连续可变的初级电流限流点，降低导通损耗。基于上述技术，InnoSwitch3-AQ系列在所有输入电压和负载下均提供一致的高效率，且可提供超过91%的满载效率。

值得一提的是，PI还优化了InnoSwitch3-AQ系列的封装，采用InSOP-28封装。王晓戈介绍，InSOP-28封装增加了高压引脚与低压引脚之间的间距（爬电距离），将初级侧间距增加至5.1mm，满足污染等级2的安规需求。


此次发布的五款参考设计正是基于InnoSwitch3-AQ反激式开关IC推出，分别为：

RDK-994Q — 35W超薄型牵引逆变器门极驱动或应急电源，输入电压为40-1000VDC、输出电压为24V；
RDK-1039Q — 采用平面变压器的18W电源，用于牵引逆变器门极驱动器或应急电源；
RDK-1054Q — 采用平面变压器的120W电源，设计用于缩小或消除笨重的12V电池；
DER-1030Q — 20W四路输出电源，其中一路输出为24.75V的应急电源(EPS)，三路输出为25.5V的门极驱动电源；
DER-1045Q — 16W四路输出电源，其中一路为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。



王晓戈强调，PI推出的参考设计都是根据客户反馈以及市场需求进行定义，有些甚至是基于实际量产车案例，PI将它作为一个典型的应用方案让更多的客户参考。

其中，RDK-1039Q和RDK-1054Q是PI针对平面变压器的应用而开发，实现超扁平设计，支持1000V电压，具有加强绝缘功能。

当前已有不少采用48V架构的新能源汽车设计大量地采用了平面变压器的架构做主功率电源，这是因为平面变压器的能够实现超小的体积，RDK-1054Q的板高为14.6mm，RDK-1039Q的板高降低至12.5mm；且平面变压器重心更低、抗冲击、抗振动性能较好，相较传统的绕线变压器的一致性会更好。PI上述产品的推出解决客户对板高的需求痛点，特别是逆变器领域对抗振动等性能的需求。

图：RDK-1039Q：采用平面变压器的超薄应急电源

王晓戈表示，InnoSwitch3-AQ系列和新参考设计支持多种应用场景，且客户无需对平台进行较大的改动，就能快速升级到全新的性能。他分享，这也是基于InnoSwitch3-AQ系列带来的优势，“我们针对pin脚的脚位做了一些微调，虽然pin脚总数增多了，但功能完全保留到跟原来一样，方便客户在原有的项目基础上把它移植到新的平台。”



小结：
InnoSwitch3-AQ系列可将电源的 BOM 元件数量减少多达 50%；基于这款高集成度 IC 的五款参考设计，凭借创新的碳化硅技术和高效能架构，有效应对800V高压电动汽车电源系统的升级挑战。通过采用平面变压器实现超薄、高集成度设计，满足客户对空间、重量与可靠性的严苛要求。

可以看到，PI此次推出的800V高压解决方案以灵活的平台适配能力和量产级参考设计，助力车企快速实现技术迭代。