盡管車輛母線電壓在不斷提高，汽車級認證耐壓高達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。

凡是駕齡長些的老司機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）。看看特斯拉的手冊即可知道，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，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（如特斯拉是三相交流異步電機），這樣才能利用逆變器實現(xiàn)制動能量回收。交流電機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，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，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，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），同時還要進行隔離保護。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，所以無論是負載調(diào)整率還是輸入電壓調(diào)整率都可以做到1%至負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，也能夠達到75%的效率?？瓷先?5%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，汽車級認證耐壓高達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。