汽車高壓輔助系統(tǒng)的新興趨勢(shì)及安森美對(duì)應(yīng)的解決方案

隨著電動(dòng)汽車的大力發(fā)展，對(duì)高壓輔助系統(tǒng)如電動(dòng)壓縮機(jī)、電動(dòng)渦輪增壓、電動(dòng)冷卻風(fēng)扇、電動(dòng)泵等的需求越來(lái)越多。這些高壓執(zhí)行系統(tǒng)在電動(dòng)/混動(dòng)汽車(以下簡(jiǎn)稱“xEV”)中取代了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)皮帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行著暖通空調(diào)、電池冷卻循環(huán)、主動(dòng)懸掛、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻及泵油等功能。

在xEV的高壓輔助電源系統(tǒng)中仍然包含12 V電源網(wǎng)絡(luò)，為能驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載，還需添加高壓電源網(wǎng)絡(luò)400 V或800 V。有些OEM為了減小布線尺寸，還可能添加有48 V電源網(wǎng)絡(luò)。

無(wú)論什么樣的xEV平臺(tái)，安森美(onsemi)都能提供全面的高壓輔助系統(tǒng)解決方案，從12 V到800 V，包括各類電壓和電流等級(jí)的功率模塊和分立器件，易于擴(kuò)展各種功率等級(jí)，從數(shù)百W到十幾千W，輔以門極驅(qū)動(dòng)器、電流檢測(cè)運(yùn)放、通用運(yùn)放和比較器、反激控制器、DCDC、低壓降穩(wěn)壓器(以下簡(jiǎn)稱“LDO”)、理想二極管、CAN/LIN、電感式位置傳感器、E2PROM、其它的小信號(hào)分立器件等，覆蓋整個(gè)高壓輔助系統(tǒng)，一站式方案和服務(wù)滿足各種不同的設(shè)計(jì)需求。在整個(gè)高壓輔助系統(tǒng)的應(yīng)用中，安森美產(chǎn)品的物料單(BOM)含量可以達(dá)到10~15美金左右，器件類型多達(dá)20多種。本文將回顧這些系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用，并介紹安森美對(duì)應(yīng)的解決方案和產(chǎn)品及其優(yōu)勢(shì)。

圖1：安森美提供完整的高壓輔助系統(tǒng)解決方案

高壓輔助系統(tǒng)應(yīng)用概覽

在xEV中，高壓輔助系統(tǒng)使用逆變器驅(qū)動(dòng)輔助電機(jī)，以取代傳統(tǒng)的皮帶驅(qū)動(dòng)模塊。逆變器的功率及能效直接影響著系統(tǒng)級(jí)的性能和能效乃至xEV的續(xù)航里程。逆變器將高壓直流電轉(zhuǎn)換成3相交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)，同時(shí)可以通過(guò)控制逆變器輸出的電壓、電流和頻率等來(lái)控制電機(jī)的速度、加速度和扭矩。一般用于驅(qū)動(dòng)這些電機(jī)的逆變器的輸出功耗需求為500 W~10 kW左右，供電電壓為400 V或800 V。為提高系統(tǒng)性能，需要最優(yōu)化逆變器模塊的損耗及散熱。 此外，高壓輔助電源中還需包含有電壓、電流和溫度監(jiān)測(cè)、及車載網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)需要考慮到高壓隔離。

圖2：汽車高壓輔助系統(tǒng)應(yīng)用框圖 (橙色代表安森美可提供的產(chǎn)品)

選用安森美的方案，在車輛層面能達(dá)到的優(yōu)勢(shì)包括：

對(duì)系統(tǒng)輸入的反應(yīng)速度更快，如可以更快地加速到所需的速度、可以實(shí)現(xiàn)高粘度液體的扭矩控制

可以達(dá)到更高的能效，因而在xEV上相同的電池容量就能實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的續(xù)航里程

ASPM模塊的尺寸相對(duì)分立方案要小很多，因此占用較小的車輛空間

功率模塊的熱阻相對(duì)分立方案也要更小，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)的散熱設(shè)計(jì)，進(jìn)一步減小整個(gè)系統(tǒng)的物理體積

汽車智能功率模塊

針對(duì)400 V和800 V系統(tǒng)，安森美分別有650 V和1200 V的汽車智能功率模塊(以下簡(jiǎn)稱“ASPM”)，都符合AQG324車規(guī)，電氣上可以根據(jù)客戶的功率需求集成多個(gè)大電流的IGBT，布局上非常緊湊以減小整個(gè)模塊的寄生電感，還能內(nèi)置緩沖電路以改善EMI特性，可以選擇合適的Rg優(yōu)化di/dt和dv/dt，熱阻非常低，內(nèi)含隔離層，能實(shí)現(xiàn)較高的功率密度，且集成度非常高，內(nèi)置門極驅(qū)動(dòng)器、續(xù)流二極管，并具有過(guò)流關(guān)斷、溫度監(jiān)測(cè)、欠壓保護(hù)、故障輸出等保護(hù)功能。從整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，ASPM具有非常顯著的尺寸優(yōu)勢(shì)，熱性能和電氣性能都優(yōu)于分立方案，從整個(gè)系統(tǒng)成本來(lái)說(shuō)，考慮到PCB、機(jī)械安裝、質(zhì)量和性能成本，系統(tǒng)功率越高，使用ASPM模塊會(huì)比分立器件更具成本優(yōu)勢(shì)。

650 V ASPM27有V2和V3兩個(gè)版本，分別使用第3代和第4代場(chǎng)截止溝槽技術(shù)。V3相對(duì)于V2，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗都有所降低。安森美的650 V ASPM涵蓋30 A、40 A、50 A和60 A的應(yīng)用，其中60 A的模塊為實(shí)現(xiàn)大功率輸出，其覆銅板(以下簡(jiǎn)稱“DBC”)材料為AlN，結(jié)到外殼的熱阻極低。

1200 V ASPM34的IGBT使用的是NPT trench技術(shù)，涵蓋25 A、35 A和50 A的應(yīng)用。同樣50 A的模塊其DBC材料為AlN，結(jié)到外殼的熱阻非常低。

ASPM27和ASPM34內(nèi)部門極驅(qū)動(dòng)器的源電流和灌電流能力分別為2 A和4A，控制頻率可達(dá)到50 kHz，內(nèi)部集成的IGBT具有低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的特性，能夠?yàn)?a target="_blank">電機(jī)控制提供優(yōu)化的dv/dt和di/dt。內(nèi)部集成的續(xù)流二極管是軟恢復(fù)特性，具有較好的EMI性能。

1. ASPM應(yīng)用實(shí)例：壓縮機(jī)尺寸減小

xEV高壓系統(tǒng)中電子壓縮機(jī)的功率輸出需達(dá)到5 kW甚至是7 kW，由于壓縮機(jī)尺寸越來(lái)越小，那么要求電路板的尺寸也需較小，此外還要求散熱性能好、性價(jià)比高。對(duì)于400 V系統(tǒng)，可選用安森美的ASPM27，對(duì)于800 V系統(tǒng)，可選用安森美的ASPM34。

下面這兩個(gè)圖是PCBA采用三相分立方案和模塊方案的尺寸對(duì)比，可以看到使用模塊方案PCBA尺寸可減小80%。

圖3：電子壓縮機(jī)采用安森美的ASPM比采用分立方案顯著縮減尺寸

2. ASPM應(yīng)用實(shí)例：變速箱油泵轉(zhuǎn)向電動(dòng)油泵，節(jié)省能耗

傳統(tǒng)的變速箱機(jī)械式油泵，其動(dòng)力來(lái)源于發(fā)動(dòng)機(jī)，只要發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，變速箱油泵就得全時(shí)運(yùn)行，浪費(fèi)能量。在xEV中切換成電動(dòng)油泵后就可以選擇性地電機(jī)控制，可更大限度地節(jié)省液壓系統(tǒng)能量消耗。

再者，變速箱油在低溫下粘度很高，會(huì)造成低溫下啟動(dòng)電流過(guò)大及啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩過(guò)大的問(wèn)題。因此需要高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵，安森美的650 V/50A ASPM27模塊能較好地契合此應(yīng)用需求。

門極驅(qū)動(dòng)器

1. 單通道

NCV57000和NCV57001是全功能型的隔離型IGBT 門極驅(qū)動(dòng)器，包含有負(fù)壓驅(qū)動(dòng)、desat檢測(cè)、軟關(guān)斷、門極鉗位、欠壓檢測(cè)、故障輸出等功能。其中NCV57000有分開的source和sink輸出引腳，而NCV57001只有單個(gè)輸出引腳。

簡(jiǎn)化功能版本的IGBT 門極驅(qū)動(dòng)器，如NCV57080、57090、57084和57085，只包含有門極鉗位或負(fù)壓驅(qū)動(dòng)或desat檢測(cè)等，還分別有窄體和寬體版本。

非隔離型的IGBT 門極驅(qū)動(dòng)器NCV5700和NCV5702是全功能型的，包含有負(fù)壓驅(qū)動(dòng)、desat檢測(cè)、門極鉗位、欠壓檢測(cè)、故障輸出等功能。NCV5701、5703和5705等是簡(jiǎn)化功能版本的非隔離型的IGBT 門極驅(qū)動(dòng)器。

2. 雙通道

對(duì)于IGBT，安森美有兩類雙通道的門極驅(qū)動(dòng)器。其中NCV57200和NCV57201是半橋型的，只有高邊驅(qū)動(dòng)是隔離的，NCV57200內(nèi)置死區(qū)時(shí)間。而NCV57252、NCV57255和NCV57540是雙通道型，其中NCV57255是窄體的，NCV57252和NCV57540是寬體的。而NCV57540是14引腳的，去掉了中間的兩個(gè)NC引腳，增加了電氣間隙和爬電距離。

對(duì)于MOSFET的雙通道隔離門極驅(qū)動(dòng)器，可以采用NCV51561A/B。對(duì)于SiC MOSFET的雙通道隔離門極驅(qū)動(dòng)器，可以采用NCV51561C/D，具有更高的欠壓保護(hù)值。

模擬信號(hào)鏈

安森美的模擬信號(hào)鏈產(chǎn)品如通用運(yùn)放、低功耗運(yùn)放、精密運(yùn)放、電流檢測(cè)運(yùn)放和比較器廣泛用于汽車主動(dòng)安全、自動(dòng)駕駛、車身、動(dòng)力總成、音頻娛樂(lè)和LED照明等應(yīng)用，為汽車的所有電源和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)提供低功耗和高性能的方案。

其中，高邊電流檢測(cè)運(yùn)放有5個(gè)系列，其中NCV21x系列是26 V共模產(chǎn)品，NCV2167x和NCV21671系列是40 V共模產(chǎn)品，NCV7041和NCV703x系列是80 V共模產(chǎn)品，采用零漂移結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)非常高的精度，允許電路中選用盡可能小的采樣電阻，以降低采樣電阻的損耗。零漂移結(jié)構(gòu)能持續(xù)性校準(zhǔn)偏置電壓，不僅能保證較小的偏置電壓，還能減小偏置電壓隨溫度和時(shí)間的變化，提高產(chǎn)品整個(gè)生命周期的性能。此外，還能降低采樣電阻直流電壓的低頻噪聲。

安森美的高邊電流檢測(cè)運(yùn)放還內(nèi)部集成了增益電阻，具有非常低的溫度系數(shù)，可以減小阻值隨溫度的變化，因此進(jìn)一步提高了檢測(cè)精度，另外，還具有低電流消耗、低壓供電、軌到軌、非常寬的增益帶寬積、多通道、封裝小等特性。

對(duì)于低邊電流檢測(cè)，安森美提供需外置增益電阻的電流檢測(cè)運(yùn)放，有高精度、高增益帶寬的產(chǎn)品，同時(shí)也提供了高性價(jià)比的產(chǎn)品。NCVx333系列和NCV2191x系列具有非常小的偏置電壓和偏置電壓漂移，NCV2191x系列同時(shí)具有高增益帶寬積。

對(duì)于低成本電流檢測(cè)運(yùn)放有NCV2009x、2008x、2006x、2023x和2007x系列，其中NCV2023x系列的供電范圍較寬，偏置電壓也較小。

安森美提供6個(gè)系列的低功耗運(yùn)放：NCV2009x、2008x、2006x、2003x、2007x和27x，消耗電流都不到1 mA。

隔離電源

1. 隔離輔助電源

在逆變器、輔助逆變器、車載充電器(OBC)、DCDC中都需要有輔助電源，可以從高壓側(cè)取電，也可以從低壓側(cè)取電，用于生成后級(jí)的門極驅(qū)動(dòng)器供電電源、運(yùn)放/IVN等的供電電源。如果從高壓側(cè)取電，一般需求是輸入電壓范圍為250 V~900 V，在48 V系統(tǒng)中輸入電壓范圍為24 V~54 V，輸出電壓一般為15 V、20 V或24 V，輸出功耗范圍為15~150 W，具備2 kV~5 kV的隔離電壓等級(jí)，一般使用反激拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。

如安森美的15 W隔離輔助電源方案SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB，輸入電壓范圍為250 V~900 V，輸出電壓為15 V，選用了初級(jí)端脈寬調(diào)制(PWM)控制器NCV1362作為反激拓?fù)涞目刂破?，能提供恒定的電壓和電流調(diào)節(jié)，主MOS選用了1200 V 160 mohm的SiC MOS，可以降低損耗，提高能效。整個(gè)方案物料較少，成本最優(yōu)化。當(dāng)輔助電源還需要驅(qū)動(dòng)額外的負(fù)載時(shí)，該15 W方案還可以擴(kuò)展到40 W (SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB)。

2. 輔助電源——門極驅(qū)動(dòng)器電源

當(dāng)前級(jí)輔助電源設(shè)計(jì)好后，門極驅(qū)動(dòng)器的供電電源可由前級(jí)輔助電源的輸出電壓產(chǎn)生，范圍一般為6 V~24 V。每路門極驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)功率大約為1.5 W，對(duì)于驅(qū)動(dòng)SiC MOSFET需要輸出20 V和-5 V，對(duì)于驅(qū)動(dòng)IGBT需要輸出15 V和-7.5 V。門極驅(qū)動(dòng)器的供電電源也使用反激拓?fù)?。如安森美?.5 W隔離型IGBT 門極驅(qū)動(dòng)器供電電源方案SECO-LVDCDC3064-IGBT-GEVB和1.5 W隔離型SiC門極驅(qū)動(dòng)器供電電源方案輸入電壓范圍為6 V~18 V，輸出電壓分別為15 V、7.5 V/-7.5 V和20 V、5 V/ -5 V，選用了1.5 A多拓?fù)涞腘CV3064作為DCDC控制器。整個(gè)方案簡(jiǎn)單穩(wěn)定可靠，外圍器件數(shù)量少。

電感式位置傳感

安森美的NCV77320電感式位置傳感器方案，可以通過(guò)USB控制，進(jìn)行靈活的編程和快速驗(yàn)證，為安全攸關(guān)的應(yīng)用提供所需的精確位置傳感。

總結(jié)

xEV的輔助系統(tǒng)逐漸取代了傳統(tǒng)皮帶傳動(dòng)的機(jī)械應(yīng)用。xEV高壓輔助模塊要求跨功率層級(jí)的靈活性，同時(shí)保持系統(tǒng)性能和最小化熱耗費(fèi)和物理尺寸。安森美提供一站式方案，包括SiC、IGBT、超級(jí)結(jié)MOSFET、 ASPM、門極驅(qū)動(dòng)器等，可開發(fā)出可擴(kuò)展的系統(tǒng)，滿足從12 V到800 V的應(yīng)用需求，這些方案具有高能效、高功率密度和高性能及成本優(yōu)勢(shì)，輔以安森美的銷售和技術(shù)團(tuán)隊(duì)支援，助力設(shè)計(jì)人員開發(fā)出同類最佳的設(shè)計(jì)。相關(guān)技術(shù)文檔，請(qǐng)到這里下載。