安森美半導(dǎo)體的電動/混動汽車方案助力推動能效、節(jié)能、環(huán)保

智能化、電動/混動汽車、48 V汽車功能電子化是當(dāng)今汽車市場的重要趨勢，配合著節(jié)能減排的目標(biāo)前進(jìn)發(fā)展。安森美半導(dǎo)體是唯一提供全面的電動動力總成方案、和少數(shù)同時具備硅、碳化硅(SiC)技術(shù)的供應(yīng)商，并不斷投資于先進(jìn)的封裝，應(yīng)用于電動/混動汽車的主要電力系統(tǒng)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(diào)壓縮機(jī)、油泵等)等。

圖1：安森美半導(dǎo)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(tǒng)有主逆變、OBC、高壓到低壓DC-DC、輔助電源高壓逆變(風(fēng)機(jī)、泵及壓縮機(jī))、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(zhuǎn)換為負(fù)責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動車輛前進(jìn)所需的轉(zhuǎn)矩的感應(yīng)電動機(jī)所需的交流電流。OBC負(fù)責(zé)對車內(nèi)的高壓電池子系統(tǒng)充電。而許多執(zhí)行各種輔助任務(wù)的車輛子系統(tǒng)，過去由12 V電池供電，現(xiàn)在正轉(zhuǎn)向高壓電池母線(通常是48V、400 V或800 V)，主要由三相電機(jī)驅(qū)動，可以在更高的電壓水平下更高效地運(yùn)行。電池管理確保系統(tǒng)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(tǒng)，要求功率半導(dǎo)體器件在600 V至750 V范圍內(nèi)，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(xì)評估導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以實(shí)現(xiàn)車輛的目標(biāo)傳動系統(tǒng)性能。安森美半導(dǎo)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(qū)動器、電流檢測放大器、CAN收發(fā)器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、保護(hù)等。

1. IGBT分立方案

針對20至100 kW的逆變器，安森美半導(dǎo)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(qiáng)固性、可靠性，符合AEC-Q101 Rev. D，100% BVces HTRB，在100% 器件動態(tài)測試中具備強(qiáng)固的瞬態(tài)可靠性，導(dǎo)通損耗和開關(guān)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(shè)計(jì)和多源可用的優(yōu)勢?？赏ㄟ^并聯(lián)不同數(shù)量的IGBT擴(kuò)展輸出功率，實(shí)現(xiàn)緊湊、極具成本優(yōu)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(shù)分布嚴(yán)格，從而帶來出色的并聯(lián)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(guān)速度快(dV/dt >10V/ns)，從而實(shí)現(xiàn)在各種應(yīng)用條件下強(qiáng)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(dǎo)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(shù)，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(dǎo)體的SiC MOSFET NVHL020N120。

4. 門極驅(qū)動

高壓門極驅(qū)動器通常用以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和提供更多保護(hù)功能和先進(jìn)的開關(guān)能力。如安森美半導(dǎo)體的NCV57000/001，在米勒平臺電壓下的源/汲電流達(dá)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(guān)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(hù)，可有效地降低導(dǎo)通損耗，并提供更優(yōu)的抗輻射干擾。

OBC及DC-DC方案

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

1. 超結(jié)MOSFET (SuperFet)

SuperFet有3個版本：快速驅(qū)動(FAST)、易驅(qū)動(Easy Drive)和快恢復(fù)(FRFET)。FAST版本適用于硬開關(guān)拓?fù)?，小Qg和Eoss有助于實(shí)現(xiàn)高能效。易驅(qū)動版本適用于硬/軟開關(guān)拓?fù)?，?nèi)置門極電阻(Rg)和優(yōu)化的電容，EMI低。FRFET版本適用于軟開關(guān)拓?fù)?，Qrr和Trr較小，提供更好的系統(tǒng)可靠性和強(qiáng)固性。

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

表1：安森美半導(dǎo)體的汽車SuperFet III MOSFET

2. 模塊

相較分立方案，MOSFET模塊在PCB布板設(shè)計(jì)、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(yōu)勢。如安森美半導(dǎo)體的APM16模塊，采用同1個封裝外形，可兼容不同的拓?fù)?，從系統(tǒng)散熱性和布局等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(shù)滿足這些要求，提供更快開關(guān)、更低功耗、更高功率密度、更高工作溫度，從而實(shí)現(xiàn)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(qiáng)固的抗浪涌及雪崩能力。安森美半導(dǎo)體的汽車級1200 V SiC二極管的電流規(guī)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(dú)立的10 A或兩個獨(dú)立的20 A等電流規(guī)格，提供TO247-3L、TO247-2L、TO220-2L、TO220-3L、D2pak或Dpak封裝。

從應(yīng)用角度看，對于給定的裸芯尺寸，SiC MOSFET比超結(jié)MOSFET或IGBT有更低的導(dǎo)通電阻，Rds-on 對溫度的依賴比超結(jié)MOSFET少一半，提供更好的熱導(dǎo)率，適用于高溫環(huán)境，更高的開關(guān)速度支持高頻工作和減少無源器件數(shù)，體二極管的反向恢復(fù)幾乎為零(低結(jié)電容)，但Vf較高。SiC MOSFET可硬開關(guān)。適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動選擇是個關(guān)鍵要求。關(guān)態(tài)下建議使用負(fù)電壓以防止橋拓?fù)渲械募纳鷮?dǎo)通(或擊穿)效應(yīng)。安森美半導(dǎo)體的汽車900 V SiC MOSFET的門極驅(qū)動電平提供+15 V/-5 V的驅(qū)動電源，RDS(on)有20 mΩ、30 mΩ、60 mΩ和80 mΩ的規(guī)格，采用TO247-3L、D2pak7L封裝或裸芯;1200 V SiC MOSFET的門極驅(qū)動電平則提供+20 V/-5 V的驅(qū)動電源，RDS(on)有20 mΩ、40 mΩ和80 mΩ的規(guī)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(jī)、EPS、減搖、散熱風(fēng)扇、液壓泵、空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器等車輛子系統(tǒng)。推薦用安森美半導(dǎo)體的汽車高壓ASPM模塊，其優(yōu)勢有：集成度高、外形緊湊、超低熱阻(<0.37 K/W)、確保175°C的結(jié)溫、出色的強(qiáng)固性、超長的使用壽命、設(shè)計(jì)周期及裝配流程短、通過汽車認(rèn)證。

如圖3所示，針對空調(diào)電動壓縮機(jī)，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(qiáng)大的隔離電壓，整體性價(jià)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(diào)電動壓縮機(jī)

ASPM模塊采用的封裝技術(shù)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(dǎo)率約為AI2O3的7倍，適用于更高功率的應(yīng)用場合。

安森美半導(dǎo)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(tǒng)和電池電壓略高但低于800 V的場合。這些ASPM集成IGBT(具有優(yōu)化的門極驅(qū)動)、高速HVIC和豐富的保護(hù)特性，規(guī)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(jié)構(gòu)是在汽車邁向純電動的進(jìn)程中衍生出的一種新興技術(shù)，能比12 V電池驅(qū)動更高的功率負(fù)載，實(shí)現(xiàn)更高的能效和降低排放。

針對48 V皮帶起動機(jī)(BSG)，關(guān)鍵器件有80 V至100 V 分立MOSFET、APM17/15 半橋模塊、半橋門極驅(qū)動器、電流檢測放大器和運(yùn)放。針對48 V-12 V DC-DC轉(zhuǎn)換器，關(guān)鍵器件有80 V/ 100V MOSFET用于buck-boost 開關(guān)、30V/40V MOSFET 用于OR-ing 和安全關(guān)斷、半橋 MOSFET驅(qū)動器和電流檢測運(yùn)放。采用48 V電機(jī)的輔助負(fù)載主要有增壓器、減搖系統(tǒng)、EPS、發(fā)動機(jī)散熱風(fēng)扇、水泵、空調(diào)壓縮機(jī)等，關(guān)鍵器件有80 V/100 V MOSFET、MOSFET 模塊、門極驅(qū)動器、電流檢測放大器、LDO、DC-DC、系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片(SBC)、CAN 接口。

安森美半導(dǎo)體提供廣泛的中低壓MOSFET陣容，并具有世界最好性能的內(nèi)核封裝技術(shù)，如TOLL、Power88、SO-8FL、u8FL，比傳統(tǒng)的封裝如D2PAK、DPAK、SOT-223等實(shí)現(xiàn)更低阻抗、更低電感和更小占位，可充分發(fā)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(dǎo)通電阻率。

采用模塊方案可減少整體系統(tǒng)尺寸和成本，簡化熱設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)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(jié)構(gòu)，根據(jù)電動壓縮機(jī)、電動增壓器、起動發(fā)電一體機(jī)(ISG)、BSG、EPS等不同系統(tǒng)的不同功率需求和電壓等級，用于不同的拓?fù)洹?/p>

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(dǎo)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(lǐng)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(jī)控制系統(tǒng)、信息娛樂、照明等電動/混動汽車應(yīng)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(fā)揮重要作用，如某個牌子的車，車燈轉(zhuǎn)向時，有亮麗、酷炫的效果，帶給用戶不一樣的用戶體驗(yàn)。這些都是通過智能的車燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。安森美半導(dǎo)體在車燈控制方面有非常豐富的產(chǎn)品，包括LED前大燈、自適應(yīng)前照燈和矩陣光束大燈、尾燈、防滑系統(tǒng)和迎賓尾燈、內(nèi)部RGB等。比如說前燈，第四代已經(jīng)在開發(fā)當(dāng)中，是高電壓、高功率的產(chǎn)品，可以實(shí)現(xiàn)剛才提到帶有控制功能的、做出一些復(fù)雜圖案的燈光控制。

電子保險(xiǎn)絲(eFuse)

隨著汽車增長的功能電子化，設(shè)計(jì)中還需要考慮使用eFuse和SmartFET實(shí)現(xiàn)診斷和保護(hù)功能。eFuse模仿機(jī)械保險(xiǎn)絲的行為，通過跳閘，進(jìn)入電流限制模式，并使用可控的熱阻以關(guān)斷，可自復(fù)，還包含額外的控制和診斷功能。SmartFETs被優(yōu)化用于車內(nèi)的許多地方，如發(fā)動機(jī)控制模塊(ECM)、車身控制模塊(BCM)等。安森美半導(dǎo)體的SmartFETs和eFuse通過使用先進(jìn)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(xiǎn)絲，滿足對更高質(zhì)量和可靠性的要求，從而使車廠能夠創(chuàng)建對任何故障事件立即作出響應(yīng)的配電網(wǎng)。

總結(jié)

安森美半導(dǎo)體是唯一能提供全面的電動動力總成方案、和少數(shù)同時具備硅、SiC技術(shù)的供應(yīng)商，提供全面的高性能、高能效、通過汽車認(rèn)證的功率分立半導(dǎo)體和模塊，以及最先進(jìn)的封裝技術(shù)，和可根據(jù)客戶需求定制方案，并不斷創(chuàng)新，推進(jìn)汽車智能化、電動/混動汽車、48 V汽車功能電子化進(jìn)程，幫助汽車動力提升能效，促進(jìn)節(jié)能減排。