汽車自動駕駛技術(shù)中的功率電子技術(shù)設(shè)計

在全球日益關(guān)注碳中和的背景下，各大汽車廠商紛紛宣布進軍電動汽車市場。全部或部分由電池和電機驅(qū)動的xEV正在引領(lǐng)這一趨勢。汽車行業(yè)正在經(jīng)歷一場大規(guī)模的技術(shù)創(chuàng)新浪潮，比如利用攝像頭和傳感器檢測周圍信息以輔助駕駛的ADAS的加速發(fā)展以及自動駕駛技術(shù)的演變。

隨著向電動汽車和電子設(shè)備的轉(zhuǎn)變，車載電子控制單元(ECU)*2 (控制發(fā)動機、電機、制動器和傳感器的計算機) 的數(shù)量也在增加。實際上，最新型的汽車中已使用了數(shù)百個電子控制單元。

電子功率控制EPC(Electronic Power Control)全稱為發(fā)動機電子功率控制系統(tǒng)，很多人也把它稱之為電子節(jié)氣門(Electronic Throttle control)。在EPC系統(tǒng)中，取消以前的油門拉線而用踏板裝置的傳感器來取代，發(fā)動機控制單元(ECU)根據(jù)踏板裝置傳感器來反饋的位置數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得到最佳目標(biāo)節(jié)氣門開度并發(fā)送一個信號給節(jié)氣門驅(qū)動電機使節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)到這個角度。

EPC(Electronic Power Control)全稱發(fā)動機電子功率控制系統(tǒng)，很多人也叫它ETC(Electronic Throttle Control)電子節(jié)氣門。該系統(tǒng)由一些傳感器、控制器等元件組成。當(dāng)某傳感器出現(xiàn)故障或感知到不正常的情況時，控制系統(tǒng)就會根據(jù)設(shè)置好的程序采取相應(yīng)的措施。以往駕駛員根據(jù)發(fā)動機的動力需求來加速踏操控板，加速踏板通過鋼絲拉線控制節(jié)氣門開度。在EPC系統(tǒng)中，取消以前的油門拉線而用踏板裝置的傳感器來取代，發(fā)動機控制單元(ECU)根據(jù)踏板裝置傳感器來反饋的位置數(shù)據(jù)經(jīng)過計算得到最佳目標(biāo)節(jié)氣門開度并發(fā)送一個信號給節(jié)氣門驅(qū)動電機使節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)到這個角度。電子節(jié)氣門一般使用在汽油機上，由于汽油機在工作工程中，為了滿足三效催化劑轉(zhuǎn)化的要求，應(yīng)該維持空燃比在1左右。這樣就要求噴油量和節(jié)氣門的開度是成比例關(guān)系的，車載電腦會根據(jù)利用傳感器采集得來的油門踏板的開度和采集的發(fā)動機的進氣量來通過計算或是查表的方式，找到這個條件下的噴油量，使發(fā)動機的空燃比滿足要求。也就是說間接的通過控制發(fā)動機的電子節(jié)氣門的開度來控制了發(fā)動機的功率。

汽車中使用電子產(chǎn)品可以追溯到使用電動啟動器替代手動曲柄的20世紀(jì)初。上世紀(jì)60年代，隨著固體電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，汽車電子開始盛行起來?，F(xiàn)今存在著幾種推動汽車市場對電子產(chǎn)品的需求，尤其是功率半導(dǎo)體器件需求的趨勢。它們是：

(1)對于乘客舒適性和便利性功能的顯著需求，如座椅加熱和座椅制冷、自動座椅定位、高級照明以及多區(qū)暖通空調(diào)(HVAC)。這些系統(tǒng)應(yīng)用都需要更大的功率和更多的功率管理。飛兆半導(dǎo)體的集成高側(cè)開關(guān)等產(chǎn)品具有高效控制和管理上述功率負(fù)載的功能。

(2)先進的動力傳動系控制系統(tǒng)提高了燃油經(jīng)濟性，減少了車輛排放。這些系統(tǒng)必須更精確地控制燃燒過程，連續(xù)不斷地提供狀態(tài)檢查，同時在系統(tǒng)需要正常運作所必需的功率和模擬控制功能。飛兆半導(dǎo)體的40V和60V PowerTrench MOSFET器件、高側(cè)開關(guān)以及智能點火產(chǎn)品能夠滿足這些要求。

(3)電動助力轉(zhuǎn)向等成熟的輔助系統(tǒng)正在越來越多地從機械式轉(zhuǎn)向電子式。隨著發(fā)展，這些系統(tǒng)要求更大的電流密度和更低的功率消耗。飛兆半導(dǎo)體的30/40V MOSFET和汽車功率模塊(APM)技術(shù)是提供這些應(yīng)用所需的高效率和高功率密度解決方案的基礎(chǔ)。

(4)電動和混合電動推進系統(tǒng)等替代動力傳動系技術(shù)需要顯著增加汽車的功率處理能力，需要能夠處理1kW~40kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器等新型汽車電子產(chǎn)品。根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)，需要使用集成化混合動力總成(Integrated Starter Generator, ISG)和牽引馬達逆變器來處理5kW~120kW或更高功率。飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench MOSFET、場截止IGBT、智能開關(guān)和柵極驅(qū)動器等通過了汽車產(chǎn)品認(rèn)證的功率電子產(chǎn)品，采用分立或先進模塊形式提供，為這些先進系統(tǒng)提供了高成本效益解決方案。

二、使用飛兆半導(dǎo)體智能功率和功率技術(shù)的系統(tǒng)

1、 汽車照明

為了處理系統(tǒng)性和隨機性故障，使用分立MOSFET、智能MOSFET功率開關(guān)以及IGBT等電子器件來替代機械式開關(guān)和繼電器，用于控制車燈、柴油車預(yù)熱塞系統(tǒng)、點火系統(tǒng)以及馬達。智能功率器件(SPD)可以在消除機械噪聲和燃弧的同時提高質(zhì)量和可靠性。

圖1所示的智能功率器件是一款N溝道功率場效應(yīng)管(FET)，具有一個內(nèi)部電源、電流受控輸入、帶負(fù)載電流感測的診斷反饋功能以及嵌入式保護功能。使用chip-on-chip和chip-by-chip技術(shù)集成功率級、控制、驅(qū)動以及保護電路。

圖1，智能MOSFET結(jié)構(gòu)圖。

SPD的主要目標(biāo)是替代汽車?yán)^電器和熔斷器。智能開關(guān)能夠?qū)㈤_關(guān)和保護功能結(jié)合在單一芯片中。因此，從總體成本角度看，SPD可以提供較繼電器和熔斷器更便宜的解決方案。除了保護功能外，SPD具有減少線束，加入診斷功能和實現(xiàn)脈寬調(diào)制的更多優(yōu)勢，所以，SPD不僅能夠保護自身，還能保護與其相連的負(fù)載和鄰近器件。可以使用帶有一些外部元件的應(yīng)用電路，依照應(yīng)用系統(tǒng)正確地運作系統(tǒng)。

2、分立式功率器件(DC-DC轉(zhuǎn)換器)

目前，最重要的環(huán)境問題之一就是作為運輸主要能源之一的碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生的污染?；旌蟿恿?HEV)和電動車(EV)正逐漸成為“綠色”運輸?shù)奶娲鷦恿鲃酉到y(tǒng)。這些車輛不僅涉及牽引部件，而且推動了電能轉(zhuǎn)換方面的新應(yīng)用。混合動力車輛內(nèi)的一種關(guān)鍵模塊便是用于電氣負(fù)載輔助電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器，因為HEV和EV仍然使用頭/尾燈、加熱風(fēng)扇以及音頻系統(tǒng)等輔助負(fù)載。該轉(zhuǎn)換器必須具有處理從高電壓轉(zhuǎn)換至12V電壓的能力，如圖2所示。

圖2，HEV/EV電氣負(fù)載需要能量轉(zhuǎn)換。

因此，應(yīng)用工程師們將注意力集中在HEV和HE系統(tǒng)中的MOSFET和IGBT等高電壓功率器件上。有幾種控制從高電壓到低電壓的能量轉(zhuǎn)換方法。通常使用高電壓和低電壓之間隔離的全橋和移相技術(shù)，這類應(yīng)用中的輔助功率轉(zhuǎn)換器代表著電池組對高壓直流總線的高效管理，根據(jù)電動馬達的功率不同，范圍在200V~800V之間。

此外，系統(tǒng)的效率是一個關(guān)鍵特性，并且是設(shè)計選擇的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)換器的設(shè)計趨勢是在寬負(fù)載條件范圍內(nèi)達到90%或者更高的效率。

轉(zhuǎn)換器的可靠性是至關(guān)重要的，因為故障會引起12V電池的泄放，從而造成所有靠電池電力驅(qū)動的附件的故障。另一方面，不能忽略效率和電磁兼容(EMC)問題。因此，有源箝位等軟開關(guān)和能量回收技術(shù)非常有益。

3、汽車功率模塊(APM)

高壓(600 VDC)和低壓(12-24VDC)系統(tǒng)都可以使用APM。飛兆半導(dǎo)體向汽車市場提供用于高壓和低壓系統(tǒng)的APM器件，它們幾乎都用來驅(qū)動三相馬達和制動器。兩種電壓范圍的APM都采用直接鍵合銅(DBC)技術(shù)來實現(xiàn)熱傳導(dǎo)。

低壓(LV)意味著以更大的電流來驅(qū)動通常與該類型解決方案相關(guān)聯(lián)的較大負(fù)載。低壓應(yīng)用使用30V~60V N溝道MOSFET。電動助力轉(zhuǎn)向和電驅(qū)動液壓混合轉(zhuǎn)向是兩種最普遍的LV-APM解決方案。峰值相位電流能夠達到100A以上。這需要大的銅質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用于芯片焊盤(die paddle)和電流通路以及多個大電流粘合引線。正溫度系數(shù)(PTC)器件、無源EMC元件、分流器都達到了更高的集成度并提高了可靠性。電動助力轉(zhuǎn)向中使用APM是實現(xiàn)機電一體化封裝和低系統(tǒng)成本的關(guān)鍵。在靜態(tài)停車時，相比液壓系統(tǒng)，降低寄生引擎負(fù)載可以減小車輛引擎的尺寸，從而更小型車輛。低壓模塊用于EV/HEV車輛，也用在傳統(tǒng)的內(nèi)燃式引擎汽車上。

高壓應(yīng)用主要包括由高母線電壓或主電池組供電的泵和風(fēng)扇。典型的峰值相位電流<20A。這一市場中的模塊化解決方案類似于許多工業(yè)市場中的應(yīng)用，并使用類似的功率模塊，IGBT和MOSFET解決方案均可使用。典型的模塊有高壓柵極驅(qū)動器，以及在共橋回路處用于診斷的某種電流水平感測。高壓結(jié)構(gòu)必須考慮到引腳間隙要求。在熱管理方面，產(chǎn)品分為帶或不帶增強熱傳導(dǎo)的類型。模塊化解決方案是小型集成解決方案的關(guān)鍵，功率處理器件位于制動器附近，甚至工作于變速箱等極端環(huán)境中。高壓模塊幾乎都用于EV/HEV車輛中。