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安森美半導體的電動/混動汽車方案助力推動能效、節能、環保

2019-04-12 11:13:58 安森美

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智能化、電動/混動汽車、48 V汽車功能電子化是當今汽車市場的重要趨勢，配合著節能減排的目標前進發展。安森美半導體是唯一提供全面的電動動力總成方案、和少數同時具備硅、碳化硅（SiC）技術的供應商，并不斷投資于先進的封裝，應用于電動/混動汽車的主要電力系統如牽引逆變、車載充電(OBC)、電池管理、48 V、和高壓輔助電源(如空調壓縮機、油泵等)等。

圖1：安森美半導體汽車功能電子化方案陣容

典型的電動/混動汽車高壓PD IGBT/FRD方案

如圖2所示，一臺典型的電動/混動汽車主要包含的電力系統有主逆變、OBC、高壓到低壓DC-DC、輔助電源高壓逆變(風機、泵及壓縮機)、PTC加熱器和電池管理(BMS)。主牽引逆變器將汽車高壓電池提供的直流電流轉換為負責產生驅動車輛前進所需的轉矩的感應電動機所需的交流電流。OBC負責對車內的高壓電池子系統充電。而許多執行各種輔助任務的車輛子系統，過去由12 V電池供電，現在正轉向高壓電池母線(通常是48V、400 V或800 V)，主要由三相電機驅動，可以在更高的電壓水平下更高效地運行。電池管理確保系統安全。

圖2：典型的電動/混動汽車高壓PD IGBT/FRD方案

牽引逆變器方案

電動汽車逆變器通常包含400 V或日漸流行的800 V 高壓電池系統，要求功率半導體器件在600 V至750 V范圍內，或900 V至1200 V范圍，其性能影響到車輛的整體能效，包括加速和駕駛里程。在選擇逆變模塊所需的電力電子器件時，必須仔細評估導通損耗和開關損耗，以實現車輛的目標傳動系統性能。安森美半導體提供廣泛的選擇，包括分立IGBT、單面直接散熱(SSDC)模塊、雙面散熱(DSC)模塊、SiC MOSFET、隔離門極驅動器、電流檢測放大器、CAN收發器、低壓降穩壓器(LDO)、保護等。

1. IGBT分立方案

針對20至100 kW的逆變器，安森美半導體提供分立IGBT，如650 V/120 A的 FGY120T65SPD-F085和650 V/160 A的FGY160T65SPD-F085，采用TP247封裝，具有同類最佳的電氣性、熱性能、強固性、可靠性，符合AEC-Q101 Rev. D，100% BVces HTRB，在100% 器件動態測試中具備強固的瞬態可靠性，導通損耗和開關損耗極低，已被美國、中國、歐洲和韓國電動/混動汽車客戶廣泛使用。與模塊相比，分立方案具有成本、靈活設計和多源可用的優勢。可通過并聯不同數量的IGBT擴展輸出功率，實現緊湊、極具成本優勢的方案，非常適用于A0/A00汽車，功率等級<40kW，總線電壓<200 V。制造工藝方面，參數分布嚴格，從而帶來出色的并聯工作性能。這些器件都在超過3倍額定電流(分別為380A 和500A)的條件下測試，開關速度快(dV/dt >10V/ns)，從而實現在各種應用條件下強固的抗閂鎖能力。

2. 模塊

模塊在逆變器中非常重要，可提高集成度和降低失效的可能性。針對40至200 kW，安森美半導體提供IGBT晶圓用于模塊裝配；針對100至190 kW，提供SSDC模塊；針對60至200 kW，提供DSC模塊。

3. SiC方案

如果有小型化，并且增加功率的需求，SiC是一個非常不錯的技術，用于400 V和800 V電池時，逆變器的能效可分別增加65%和80%。推薦方案如安森美半導體的SiC MOSFET NVHL020N120。

4. 門極驅動

高壓門極驅動器通常用以實現電氣隔離和提供更多保護功能和先進的開關能力。如安森美半導體的NCV57000/001，在米勒平臺電壓下的源/汲電流達4 A/6 A，Galvanic Isolation 超過5 kV，可保持在1400 V 的工作電壓，在1500 V的工作條件下抗共模干擾>100 kV/us，典型傳輸延遲80 ns，有軟關斷功能以抑制尖峰電壓，通過可編程延遲可去飽和檢測，短路期間有IGBT門極鉗位功能，米勒鉗位汲電流高，提供欠壓鎖定(UVLO)保護，可有效地降低導通損耗，并提供更優的抗輻射干擾。

OBC及DC-DC方案

典型的OBC由多個級聯級組成，即輸入整流、功率因數校正(PFC)、DC-DC轉換、隔離、輸出整流和輸出濾波。推薦超結MOSFET、APM16模塊和SiC方案。

1. 超結MOSFET (SuperFet)

SuperFet有3個版本：快速驅動(FAST)、易驅動(Easy Drive)和快恢復(FRFET)。FAST版本適用于硬開關拓撲，小Qg和Eoss有助于實現高能效。易驅動版本適用于硬/軟開關拓撲，內置門極電阻(Rg)和優化的電容，EMI低。FRFET版本適用于軟開關拓撲，Qrr和Trr較小，提供更好的系統可靠性和強固性。

表1為安森美半導體的一些汽車級SuperFet III MOSFET，具有出色的體二極管反向恢復特性。

表1：安森美半導體的汽車SuperFet III MOSFET

2. 模塊

相較分立方案，MOSFET模塊在PCB布板設計、制造工藝、尺寸/重量、抗噪性能、散熱效率等方面都有顯著的優勢。如安森美半導體的APM16模塊，采用同1個封裝外形，可兼容不同的拓撲，從系統散熱性和布局等方面優化設計。

3. SiC方案

隨著電動汽車兩次充電間更多的里程和更快的充電時間，對更高能效和更高功率密度的需求也隨之增加。寬禁帶技術滿足這些要求，提供更快開關、更低功耗、更高功率密度、更高工作溫度，從而實現更高能效、緊湊、更佳散熱性和更高可靠性的方案。

SiC二極管比硅二極管提供更強固的抗浪涌及雪崩能力。安森美半導體的汽車級1200 V SiC二極管的電流規格主要有10 A、20 A、40 A，采用TO247-3L、TO247-2L或D2pak封裝，汽車級650 V SiC二極管有6 A、8 A、10 A、20 A、30 A、50 A、集成兩個獨立的10 A或兩個獨立的20 A等電流規格，提供TO247-3L、TO247-2L、TO220-2L、TO220-3L、D2pak或Dpak封裝。

從應用角度看，對于給定的裸芯尺寸，SiC MOSFET比超結MOSFET或IGBT有更低的導通電阻，Rds-on 對溫度的依賴比超結MOSFET少一半，提供更好的熱導率，適用于高溫環境，更高的開關速度支持高頻工作和減少無源器件數，體二極管的反向恢復幾乎為零(低結電容)，但Vf較高。SiC MOSFET可硬開關。適當的門極驅動選擇是個關鍵要求。關態下建議使用負電壓以防止橋拓撲中的寄生導通(或擊穿)效應。安森美半導體的汽車900 V SiC MOSFET的門極驅動電平提供+15 V/-5 V的驅動電源，RDS(on)有20 m?、30 m?、60 m?和80 m?的規格，采用TO247-3L、D2pak7L封裝或裸芯；1200 V SiC MOSFET的門極驅動電平則提供+20 V/-5 V的驅動電源，RDS(on)有20 m?、40 m?和80 m?的規格，采用TO247-3L、D2pak7L封裝或裸芯。

高壓輔助電源方案

電動/混動汽車高壓輔助電源方案用于如電動增壓器、交流壓縮機、EPS、減搖、散熱風扇、液壓泵、空調壓縮機和PTC加熱器等車輛子系統。推薦用安森美半導體的汽車高壓ASPM模塊，其優勢有：集成度高、外形緊湊、超低熱阻(<0.37 K/W)、確保175°C的結溫、出色的強固性、超長的使用壽命、設計周期及裝配流程短、通過汽車認證。

如圖3所示，針對空調電動壓縮機，采用ASPM模塊的方案比分立方案更緊湊，且散熱性更好，并提供強大的隔離電壓，整體性價比也得以提升。

圖3：分立方案 vs. ASPM模塊方案用于電動/混動汽車空調電動壓縮機

ASPM模塊采用的封裝技術是直接覆銅(DBC)。DBC基板有兩種材料可選：AI2O3和氮化鋁(AIN)。AIN的熱導率約為AI2O3的7倍，適用于更高功率的應用場合。

安森美半導體提供650 V ASPM@27系列和1200 V ASPM@34系列，分別針對400 V以下的電池系統和電池電壓略高但低于800 V的場合。這些ASPM集成IGBT(具有優化的門極驅動)、高速HVIC和豐富的保護特性，規格如表2所示。

表2：650 V ASPM@27系列(左)和1200 V ASPM@34系列(右)

48 V方案

48 V雙電壓結構是在汽車邁向純電動的進程中衍生出的一種新興技術，能比12 V電池驅動更高的功率負載，實現更高的能效和降低排放。

針對48 V皮帶起動機(BSG)，關鍵器件有80 V至100 V 分立MOSFET、APM17/15 半橋模塊、半橋門極驅動器、電流檢測放大器和運放。針對48 V-12 V DC-DC轉換器，關鍵器件有80 V/ 100V MOSFET用于buck-boost 開關、30V/40V MOSFET 用于OR-ing 和安全關斷、半橋 MOSFET驅動器和電流檢測運放。采用48 V電機的輔助負載主要有增壓器、減搖系統、EPS、發動機散熱風扇、水泵、空調壓縮機等，關鍵器件有80 V/100 V MOSFET、MOSFET 模塊、門極驅動器、電流檢測放大器、LDO、DC-DC、系統基礎芯片(SBC)、CAN 接口。

安森美半導體提供廣泛的中低壓MOSFET陣容，并具有世界最好性能的內核封裝技術，如TOLL、Power88、SO-8FL、u8FL，比傳統的封裝如D2PAK、DPAK、SOT-223等實現更低阻抗、更低電感和更小占位，可充分發揮大電流密度能力，改善散熱性，提高功率密度。公司廣泛的封裝陣容確保在40 V至100 V的中低壓MOSFET每一擊穿電壓都有全球最低的導通電阻率。

采用模塊方案可減少整體系統尺寸和成本，簡化熱設計。安森美半導體用于48 V中度混動汽車的APM方案陣容主要有APM20、APM17、APM15、APM19和APM11，基于DBC的結構，根據電動壓縮機、電動增壓器、起動發電一體機(ISG)、BSG、EPS等不同系統的不同功率需求和電壓等級，用于不同的拓撲。

圖4：APM 方案用于48 V 中度混動汽車

電流檢測方案

電流檢測很重要。安森美半導體提供廣泛的低邊及高邊檢測的單、雙向電流檢測放大器陣容，具有領先的高集成度和高精度，如NCV21xR 26 V電流檢測放大器特別適用于車載充電器、動力總成、車身控制和安全的電機控制系統、信息娛樂、照明等電動/混動汽車應用。

汽車照明

車燈有助于打造汽車個性化外型，和在主動安全發揮重要作用，如某個牌子的車，車燈轉向時，有亮麗、酷炫的效果，帶給用戶不一樣的用戶體驗。這些都是通過智能的車燈控制系統實現的。安森美半導體在車燈控制方面有非常豐富的產品，包括LED前大燈、自適應前照燈和矩陣光束大燈、尾燈、防滑系統和迎賓尾燈、內部RGB等。比如說前燈，第四代已經在開發當中，是高電壓、高功率的產品，可以實現剛才提到帶有控制功能的、做出一些復雜圖案的燈光控制。

電子保險絲(eFuse)

隨著汽車增長的功能電子化，設計中還需要考慮使用eFuse和SmartFET實現診斷和保護功能。eFuse模仿機械保險絲的行為，通過跳閘，進入電流限制模式，并使用可控的熱阻以關斷，可自復，還包含額外的控制和診斷功能。SmartFETs被優化用于車內的許多地方，如發動機控制模塊(ECM)、車身控制模塊(BCM)等。安森美半導體的SmartFETs和eFuse通過使用先進的功能來延長器件使用壽命，且不再需要人工替換繼電器或保險絲，滿足對更高質量和可靠性的要求，從而使車廠能夠創建對任何故障事件立即作出響應的配電網。

關鍵詞：電池管理車載充電