新能源汽車市場正處于快速發展階段，特別是在中國，新能源乘用車的滲透率已經超過了50%。作為新能源汽車的核心部分，電源架構是影響電動車技術發展的關鍵。當前，為實現更快的充電速度和更高的整車能效，母線電壓正由400V系統迅速向800V高壓系統演進，這一變化為系統各部分帶來了全新的挑戰與機遇。

本文將圍繞高壓環境下的隔離輔助電源，從應用場景到解決方案進行全面解析，幫助工程師快速掌握該技術的核心。

隔離輔助電源的作用

當母線電壓從400V提升至800V時，逆變器的主功率器件也正逐步由IGBT轉向碳化硅。與此同時，驅動器和隔離輔助電源也需要相應調整，這構成了電源架構升級的重要環節。

隔離輔助電源本質是帶隔離的DC/DC變換器，用于給系統中高壓側器件供電。鑒于當前電動汽車高壓系統運行環境復雜多變，輔助電源必須具備良好的抗擾動能力和電磁兼容性，以確保輸出始終穩定可靠。

在牽引逆變器中，隔離輔助電源正壓用于保證功率模塊可靠開通，而負壓用于保證其可靠關斷，避免干擾導致誤導通，如此一來，就要求隔離輔助電源能夠輸出正壓以及負壓。此外，不同廠家的功率模塊對驅動電壓、關斷電壓要求也不同，這就要求隔離輔助電源輸出電壓應具備靈活可調的能力，以適配不同功率模塊。

綜上所述，隔離輔助電源的典型設計要求包括：嚴格的負載調整率和電壓精度、較高的轉換效率、良好的EMI/EMC性能、緊湊且高度集成的結構設計（有助于減重并提高抗沖擊能力），以及完善的保護機制，如過壓、過流、短路和過溫保護等。

隔離輔助電源架構一探

隔離輔助電源架構可以有很多種，包括集中式、半分布式以及全分布式等多種架構，需要結合實際應用及需求進行選擇與權衡。

首先是集中式電源架構，通過單個電源芯片驅動一個中央變壓器或者多個離散的小變壓器為所有柵極驅動器提供隔離供電。這種方案之所以廣受歡迎，是因為其元件數量較少、成本較低。但集中式電源架構的主要缺點也很明顯：龐大笨重的中央變壓器使通過沖擊測試更加困難；由于變壓器的初級—次級電容較高，共模電流會干擾低壓電路的功能；另外就是冗余性不足，由于系統中只有單個電源芯片，任何一路輸出的短路就會影響其他輸出；并且由于要保持高側和低側走線的高壓爬電距離，PCB 布線更加復雜。

其次，是半分布式電源架構，它使用多個變壓器為柵極驅動器產生輔助電壓。半分布式架構有多種形式，比較典型的一種是兩個電源芯片分別驅動兩個副邊三繞組變壓器，分別為牽引逆變器中的高側三個隔離柵極驅動器和低側三個隔離柵極驅動器供電。上述副邊三繞組變壓器也可以是單獨的三個獨立變壓器，只要驅動變壓器的電源芯片是兩個，實現上下橋臂柵極驅動器的部分解耦，都可認為是半分布式架構。使用三個獨立變壓器與副邊三繞組變壓器只是對于PCB的走線要求不同。

與集中式電源架構相比，半分布式方案也具有一些鮮明特色：可以實現更簡單的變壓器結構和PCB布局；尤其是單個驅動芯片驅動三個獨立變壓器，由于各個輸出繞組不互相干擾，對于優化電源交叉率有好處；此外，重量分布合理，易于通過沖擊測試。該方案主要的缺點在于元件數量較多、成本稍高。

最后，是全分布式電源架構，為每個柵極驅動器提供獨立的隔離輔助電源。與半分布式架構相比，它不僅簡化了變壓器結構和PCB布局，還提升了隔離輔助電源的質量，并實現了更合理的重量分布。最重要的是，這種架構提升了系統魯棒性。此外，這種架構非常適合模塊化、平臺化設計，單個電源模塊體積小、布線靈活，非常有利于不同項目之間沿用繼承。全分布式電源架構最大的挑戰就是所需的元件數量和成本都最高，但是得益于其平臺化方案，累計到一定數量之后也可能實現價格的下降。

DC/DC隔離拓撲

隔離輔助電源的拓撲也有很多種，包括反激式、推挽式、LLC 諧振和集成變壓器模塊等。每種拓撲都具有特定的優勢，但同時也存在各種問題和挑戰，工程師同樣要根據設計需求來選擇。

閉環反激式拓撲可以直接利用 12 V 電池供電，提供單級隔離輔助電源解決方案，反激有PSR以及SSR兩種閉環調節方式，其中初級側調節（PSR）反饋可實現嚴格的輸出電壓調節并無需光耦合器，并且元件數量較少。反激式拓撲的缺點包括：開關頻率較低，這可能導致更大的磁性元件；為了減少漏感降低開關結點振鈴，三明治繞線結構會帶來較高的初級—次級寄生電容，在牽引逆變器等高壓系統中，這種耦合很容易將高壓側的干擾傳遞到低壓側，可能會影響芯片正常工作。此外，傳統反激電源要求的緩沖吸收電路也會帶來BOM的增加。

LLC 拓撲也是一種常見的隔離輔助電源拓撲，LLC 拓撲具有軟開關功能，可以實現更佳的 EMI 性能；并且LLC對于漏感要求不高，可以利用分槽繞制的方案，有助于減小變壓器原副邊的耦合。由于LLC調制方式較為特殊，閉環控制的LLC設計稍有難度，然而在牽引逆變器隔離供電應用中，如果利用LLC的恒壓點，使得開關頻率等于諧振頻率，將極大減小LLC設計的復雜性，MPS可提供設計工具支持客戶快速構建LLC隔離電源。

MPS多種方案靈活助力客戶

為了應對多樣化的需求，MPS推出了多種架構的牽引逆變器隔離輔助電源設計，客戶可以根據不同系統要求選擇最合適的方案。隨著電驅系統對安全性的要求不斷提高，集中式電源架構已逐漸無法滿足要求，接下來我們將結合MPS的芯片，重點介紹半分布式與全分布式兩種方案。

反激式半分布式電源架構，采用MPQ4232A和2顆MPQ6007，在提高系統安全性的同時實現高性價比。

MPQ4232A為系統中的旋變供電，兩顆MPQ6007從12V電池處直接產生柵極驅動器高壓側供電電壓，實現牽引逆變器上下三橋輔助電源從12V電源處解耦，這種架構降低了系統單點失效導致所有柵極驅動器失去供電的可能性。同時，MPQ6007支持驅動多個獨立變壓器，變壓器就近柵極驅動器放置，帶來系統布局上的便捷性。

MPQ4232A-AEC1 是一款集成了 MOSFET 的同步四開關升降壓變換器，符合 AEC-Q100 認證。該器件可在一定的輸入電源范圍內以出色的效率提供高達 6A 的輸出電流 (IOUT)。其故障保護功能包括恒流 (CC) 限制、輸出和輸入過壓保護 (OVP) 以及過溫關斷 (TSD) 保護。上述解決方案利用MPQ4232A產生旋變供電所需的15V電壓。

MPQ6007是無需輔助繞組 PSR 型有源鉗位反激電源，設計更加簡潔。該器件集成了業內特有的有源鉗位電路和反激開關管，無需RCD緩沖電路即可工作。它支持高達65V的輸入電壓浪涌，工作頻率可達420kHz，適用于小型變壓器的設計，無需輔助繞組的反饋方式，對于平面變壓器設計更加友好。此外，MPQ6007擁有良好的EMI性能，并具備FB電阻開路保護和SNBR過壓保護功能，有助于限制輸出電壓，提升系統功能安全性。該器件采用PSR有源鉗位反激拓撲結構，省去了輔助繞組，能夠適配漏感較大的變壓器，有效減小初次級之間的寄生電容，從而降低噪聲干擾。

從具體工作流程來看，兩顆 MPQ6007 從 12V 電池分別產生上三橋驅動供電電壓和下三橋驅動電壓，實現了上三橋和下三橋驅動供電從 12V 電池處解耦。

盡管采用了反激式電源，但由于MPQ6007的高集成度和高安全性，使得產品的EMI指標更好，同時大大提升了性價比。

其次是全分布式電源架構：采用MPQ4232A和6顆MID1W2424A，后者集成無磁芯變壓器，有助于實現系統小型化。

其中，MPQ4232A負責提供24V穩壓電壓，作為前置穩壓電源，四個開關管全集成的Buck-Boost方案BOM精簡；MID1W2424A則是隔離電源模塊，每個MID1W2424A負責給一個驅動器提供隔離輔助電源。圖中的單個前級MPQ4232A也可增設為兩個，每一個MPQ4232A為三個MID1W2424A提供穩壓輸入，進一步提高系統安全性。

MID1W2424A將控制、開關功率級、保護電路、無磁芯變壓器和其他無源組件集成在單個封裝中，從而簡化了隔離式隔離輔助電源的設計。與傳統的系統級封裝 (SIP) 隔離電源模塊相比，它具有解決方案尺寸更小、高度可靠等特點，同時開發周期更短。該器件還可使用外部參考電壓來提供穩壓輸出。

MID1W2424A 提供全面的保護功能，例如過壓保護 (OVP)、過流保護 (OCP) 和過溫保護 (OTP)。此外，它還通過 FLT 指示器提供故障報告，并采用軟開關拓撲來提高 EMI 性能。

另外，MPS也提供LLC拓撲隔離輔助電源方案MPQ18913，它是一款具有可配置寬fSW范圍的 30V、0.3A、LLC 柵極驅動器隔離輔助電源，為牽引逆變器設計提供了替代傳統反激式變換器的方案。高達 5MHz的 fSW使得該驅動器可以大幅減小電源的尺寸，實現變壓器等磁性元件的小型化。MPQ18913 還提供軟開關拓撲和頻譜擴展 (FSS) 功能，用于降低 EMI 并提高整體效率。

總結

隨著新能源汽車電源架構向高壓化和高效化發展，作為其中關鍵組成部分的隔離輔助電源，必須在穩定性、電磁兼容性及集成度等方面滿足日益嚴苛的技術要求。MPS提供的汽車牽引逆變器隔離輔助電源方案，具備多種架構選擇，能夠靈活應對不同的系統需求。

其中，MPQ4232A + MPQ6007的解決方案有助于提升系統安全性，同時MPQ6007的高集成度能帶來高性價比，簡化變壓器的設計；MPQ4232A和 MID1W2424A的組合方案集成了無磁芯變壓器，有助于系統的小型化，無需客戶設計變壓器，縮短了開發周期，而MPQ18913這種LLC架構則充分利用了LLC的軟開關性能，對于系統EMI優化有利。