安森美半导体的电动/混动汽车方案助力推动能效、节能、环保

时间:2019-04-12 14:43来源:21Dianyuan

摘要:智能化、电动混动汽车、48V汽车功能电子化是当今汽车市场的重要趋势,配合着节能减排的目标前进发展。安森美半导体是唯一提供全面的电动动力总成方案、和少数同时具备硅、碳化硅技术的供应商,并不断投资于先进的封装,应用于电动混动汽车的主要电力系统如牵引逆变、车载充电、电池管理、48V、和高压辅助电源等。

智能化、电动/混动汽车、48 V汽车功能电子化是当今汽车市场的重要趋势,配合着节能减排的目标前进发展。安森美半导体是唯一提供全面的电动动力总成方案、和少数同时具备硅、碳化硅(SiC)技术的供应商,并不断投资于先进的封装,应用于电动/混动汽车的主要电力系统如牵引逆变、车载充电(OBC)、电池管理、48 V、和高压辅助电源(如空调压缩机、油泵等)等。
 
 
图1:安森美半导体汽车功能电子化方案阵容
 
典型的电动/混动汽车高压PD IGBT/FRD方案
如图2所示,一台典型的电动/混动汽车主要包含的电力系统有主逆变、OBC、高压到低压DC-DC、辅助电源高压逆变(风机、泵及压缩机)、PTC加热器和电池管理(BMS)。主牵引逆变器将汽车高压电池提供的直流电流转换为负责产生驱动车辆前进所需的转矩的感应电动机所需的交流电流。OBC负责对车内的高压电池子系统充电。而许多执行各种辅助任务的车辆子系统,过去由12 V电池供电,现在正转向高压电池母线(通常是48V、400 V或800 V),主要由三相电机驱动,可以在更高的电压水平下更高效地运行。电池管理确保系统安全。  
 
 
图2:典型的电动/混动汽车高压PD IGBT/FRD方案
 
牵引逆变器方案
电动汽车逆变器通常包含400 V或日渐流行的800 V 高压电池系统,要求功率半导体器件在600 V至750 V范围内,或900 V至1200 V范围,其性能影响到车辆的整体能效,包括加速和驾驶里程。在选择逆变模块所需的电力电子器件时,必须仔细评估导通损耗和开关损耗,以实现车辆的目标传动系统性能。安森美半导体提供广泛的选择,包括分立IGBT、单面直接散热(SSDC)模块、双面散热(DSC)模块、SiC MOSFET、隔离门极驱动器、电流检测放大器、CAN收发器、低压降稳压器(LDO)、保护等。
 
1. IGBT分立方案
针对20至100 kW的逆变器,安森美半导体提供分立IGBT,如650 V/120 A的 FGY120T65SPD-F085和650 V/160 A的FGY160T65SPD-F085,采用TP247封装,具有同类最佳的电气性、热性能、强固性、可靠性,符合AEC-Q101 Rev. D,100% BVces HTRB,在100% 器件动态测试中具备强固的瞬态可靠性,导通损耗和开关损耗极低,已被美国、中国、欧洲和韩国电动/混动汽车客户广泛使用。与模块相比,分立方案具有成本、灵活设计和多源可用的优势。可通过并联不同数量的IGBT扩展输出功率,实现紧凑、极具成本优势的方案,非常适用于A0/A00汽车,功率等级<40kW,总线电压<200 V。制造工艺方面,参数分布严格,从而带来出色的并联工作性能。这些器件都在超过3倍额定电流(分别为380A 和500A)的条件下测试,开关速度快(dV/dt >10V/ns),从而实现在各种应用条件下强固的抗闩锁能力。
 
2. 模块
模块在逆变器中非常重要,可提高集成度和降低失效的可能性。针对40至200 kW,安森美半导体提供IGBT晶圆用于模块装配;针对100至190 kW,提供SSDC模块;针对60至200 kW,提供DSC模块。
 
3. SiC方案
如果有小型化,并且增加功率的需求,SiC是一个非常不错的技术,用于400 V和800 V电池时,逆变器的能效可分别增加65%和80%。推荐方案如安森美半导体的SiC MOSFET NVHL020N120。
 
4. 门极驱动
高压门极驱动器通常用以实现电气隔离和提供更多保护功能和先进的开关能力。如安森美半导体的NCV57000/001,在米勒平台电压下的源/汲电流达4 A/6 A,Galvanic Isolation 超过5 kV,可保持在1400 V 的工作电压,在1500 V的工作条件下抗共模干扰>100 kV/us,典型传输延迟80 ns, 有软关断功能以抑制尖峰电压,通过可编程延迟可去饱和检测,短路期间有IGBT门极钳位功能,米勒钳位汲电流高,提供欠压锁定(UVLO)保护,可有效地降低导通损耗,并提供更优的抗辐射干扰。
 
OBC及DC-DC方案
典型的OBC由多个级联级组成,即输入整流、功率因数校正(PFC)、DC-DC转换、隔离、输出整流和输出滤波。推荐超结MOSFET、APM16模块和SiC方案。
 
1. 超结MOSFET (SuperFet)
SuperFet有3个版本:快速驱动(FAST)、易驱动(Easy Drive)和快恢复(FRFET)。FAST版本适用于硬开关拓扑,小Qg和Eoss有助于实现高能效。易驱动版本适用于硬/软开关拓扑,内置门极电阻(Rg)和优化的电容,EMI低。FRFET版本适用于软开关拓扑,Qrr和Trr较小,提供更好的系统可靠性和强固性。
 
表1为安森美半导体的一些汽车级SuperFet III MOSFET,具有出色的体二极管反向恢复特性。


 
表1:安森美半导体的汽车SuperFet III MOSFET
 
2. 模块
相较分立方案,MOSFET模块在PCB布板设计、制造工艺、尺寸/重量、抗噪性能、散热效率等方面都有显著的优势。如安森美半导体的APM16模块,采用同1个封装外形,可兼容不同的拓扑,从系统散热性和布局等方面优化设计。
 
3. SiC方案
随着电动汽车两次充电间更多的里程和更快的充电时间,对更高能效和更高功率密度的需求也随之增加。宽禁带技术满足这些要求,提供更快开关、更低功耗、更高功率密度、更高工作温度,从而实现更高能效、紧凑、更佳散热性和更高可靠性的方案。
 
SiC二极管比硅二极管提供更强固的抗浪涌及雪崩能力。安森美半导体的汽车级1200 V SiC二极管的电流规格主要有10 A、20 A、40 A,采用TO247-3L、TO247-2L或D2pak封装,汽车级650 V SiC二极管有6 A、8 A、10 A、20 A、30 A、50 A、集成两个独立的10 A或两个独立的20 A等电流规格,提供TO247-3L、TO247-2L、TO220-2L、TO220-3L、D2pak或Dpak封装。
 
从应用角度看,对于给定的裸芯尺寸,SiC MOSFET比超结MOSFET或IGBT有更低的导通电阻,Rds-on 对温度的依赖比超结MOSFET少一半,提供更好的热导率,适用于高温环境,更高的开关速度支持高频工作和减少无源器件数,体二极管的反向恢复几乎为零(低结电容),但Vf较高。SiC MOSFET可硬开关。适当的门极驱动选择是个关键要求。关态下建议使用负电压以防止桥拓扑中的寄生导通(或击穿)效应。安森美半导体的汽车900 V SiC MOSFET的门极驱动电平提供+15 V/-5 V的驱动电源,RDS(on)有20 mΩ、30 mΩ、60 mΩ和80 mΩ的规格,采用TO247-3L、D2pak7L封装或裸芯;1200 V SiC MOSFET的门极驱动电平则提供+20 V/-5 V的驱动电源,RDS(on)有20 mΩ、40 mΩ和80 mΩ的规格,采用TO247-3L、D2pak7L封装或裸芯。
 
高压辅助电源方案
电动/混动汽车高压辅助电源方案用于如电动增压器、交流压缩机、EPS、减摇、散热风扇、液压泵、空调压缩机和PTC加热器等车辆子系统。推荐用安森美半导体的汽车高压ASPM模块,其优势有:集成度高、外形紧凑、超低热阻(<0.37 K/W)、确保175°C的结温、出色的强固性、超长的使用寿命、设计周期及装配流程短、通过汽车认证。
 
如图3所示,针对空调电动压缩机,采用ASPM模块的方案比分立方案更紧凑,且散热性更好,并提供强大的隔离电压,整体性价比也得以提升。
 
 
图3:分立方案 vs. ASPM模块方案用于电动/混动汽车空调电动压缩机
 
ASPM模块采用的封装技术是直接覆铜(DBC)。DBC基板有两种材料可选:AI2O3和氮化铝(AIN)。AIN的热导率约为AI2O3的7倍,适用于更高功率的应用场合。
 
安森美半导体提供650 V ASPM@27系列和1200 V ASPM@34系列,分别针对400 V以下的电池系统和电池电压略高但低于800 V的场合。这些ASPM集成IGBT(具有优化的门极驱动)、高速HVIC和丰富的保护特性,规格如表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双电压结构是在汽车迈向纯电动的进程中衍生出的一种新兴技术,能比12 V电池驱动更高的功率负载,实现更高的能效和降低排放。
 
针对48 V皮带起动机(BSG),关键器件有80 V至100 V  分立MOSFET、APM17/15 半桥模块、半桥门极驱动器、电流检测放大器和运放。针对48 V-12 V DC-DC转换器,关键器件有80 V/ 100V MOSFET用于buck-boost 开关、30V/40V MOSFET 用于OR-ing 和安全关断、半桥 MOSFET驱动器和电流检测运放。采用48 V电机的辅助负载主要有增压器、减摇系统、EPS、发动机散热风扇、水泵、空调压缩机等,关键器件有80 V/100 V MOSFET、MOSFET 模块、门极驱动器、电流检测放大器、LDO、DC-DC、系统基础芯片(SBC)、CAN 接口。
 
安森美半导体提供广泛的中低压MOSFET阵容,并具有世界最好性能的内核封装技术,如TOLL、Power88、SO-8FL、u8FL,比传统的封装如D2PAK、DPAK、SOT-223等实现更低阻抗、更低电感和更小占位,可充分发挥大电流密度能力,改善散热性,提高功率密度。公司广泛的封装阵容确保在40 V至100 V的中低压MOSFET每一击穿电压都有全球最低的导通电阻率。
采用模块方案可减少整体系统尺寸和成本,简化热设计。安森美半导体用于48 V中度混动汽车的APM方案阵容主要有APM20、APM17、APM15、APM19和APM11,基于DBC的结构,根据电动压缩机、电动增压器、起动发电一体机(ISG)、BSG、EPS等不同系统的不同功率需求和电压等级,用于不同的拓扑。
 
 
图4:APM 方案用于48 V 中度混动汽车
 
电流检测方案
电流检测很重要。安森美半导体提供广泛的低边及高边检测的单、双向电流检测放大器阵容,具有领先的高集成度和高精度,如NCV21xR 26 V电流检测放大器特别适用于车载充电器、动力总成、车身控制和安全的电机控制系统、信息娱乐、照明等电动/混动汽车应用。
 
汽车照明
车灯有助于打造汽车个性化外型,和在主动安全发挥重要作用,如某个牌子的车,车灯转向时,有亮丽、酷炫的效果,带给用户不一样的用户体验。这些都是通过智能的车灯控制系统实现的。安森美半导体在车灯控制方面有非常丰富的产品,包括LED前大灯、自适应前照灯和矩阵光束大灯、尾灯、防滑系统和迎宾尾灯、内部RGB等。比如说前灯,第四代已经在开发当中,是高电压、高功率的产品,可以实现刚才提到带有控制功能的、做出一些复杂图案的灯光控制。
 
电子保险丝(eFuse)
随着汽车增长的功能电子化,设计中还需要考虑使用eFuse和SmartFET实现诊断和保护功能。eFuse模仿机械保险丝的行为,通过跳闸,进入电流限制模式,并使用可控的热阻以关断,可自复,还包含额外的控制和诊断功能。SmartFETs被优化用于车内的许多地方,如发动机控制模块(ECM)、车身控制模块(BCM)等。安森美半导体的SmartFETs和eFuse通过使用先进的功能来延长器件使用寿命,且不再需要人工替换继电器或保险丝,满足对更高质量和可靠性的要求,从而使车厂能够创建对任何故障事件立即作出响应的配电网。
 
总结
安森美半导体是唯一能提供全面的电动动力总成方案、和少数同时具备硅、SiC技术的供应商,提供全面的高性能、高能效、通过汽车认证的功率分立半导体和模块,以及最先进的封装技术,和可根据客户需求定制方案,并不断创新,推进汽车智能化、电动/混动汽车、48 V汽车功能电子化进程,帮助汽车动力提升能效,促进节能减排。

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