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供稿：安森美半導體 智能化、電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)、48 V汽車(chē)功能電子化是當今汽車(chē)市場(chǎng)的重要趨勢，配合著(zhù)節能減排的目標前進(jìn)發(fā)展。安森美半導體是唯一提供全面的電動(dòng)動(dòng)力總成方案、和少數同時(shí)具備硅、碳化硅（SiC）技術(shù)的供應商，并不斷投資于先進(jìn)的封裝，應用于電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)的主要電力系統如牽引逆變、車(chē)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(chē)功能電子化方案陣容 典型的電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)高壓PD IGBT/FRD方案 如圖2所示，一臺典型的電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)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(fēng)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(chē)高壓電池提供的直流電流轉換為負責產(chǎn)生驅動(dòng)車(chē)輛前進(jìn)所需的轉矩的感應電動(dòng)機所需的交流電流。OBC負責對車(chē)內的高壓電池子系統充電。而許多執行各種輔助任務(wù)的車(chē)輛子系統，過(guò)去由12 V電池供電，現在正轉向高壓電池母線(xiàn)(通常是48V、400 V或800 V)，主要由三相電機驅動(dòng)，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(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)高壓PD IGBT/FRD方案 牽引逆變器方案 電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(shí)，必須仔細評估導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗，以實(shí)現車(chē)輛的目標傳動(dòng)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(mén)極驅動(dòng)器、電流檢測放大器、CAN收發(fā)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(lèi)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(dòng)態(tài)測試中具備強固的瞬態(tài)可靠性，導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗極低，已被美國、中國、歐洲和韓國電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)客戶(hù)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(yōu)勢�？赏ㄟ^(guò)并聯(lián)不同數量的IGBT擴展輸出功率，實(shí)現緊湊、極具成本優(yōu)勢的方案，非常適用于A(yíng)0/A00汽車(chē)，功率等級<40kW，總線(xiàn)電壓<200 V。制造工藝方面，參數分布嚴格，從而帶來(lái)出色的并聯(lián)工作性能。這些器件都在超過(guò)3倍額定電流(分別為380A 和500A)的條件下測試，開(kāi)關(guān)速度快(dV/dt >10V/ns)，從而實(shí)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(gè)非常不錯的技術(shù)，用于400 V和800 V電池時(shí)，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(mén)極驅動(dòng) 高壓門(mén)極驅動(dòng)器通常用以實(shí)現電氣隔離和提供更多保護功能和先進(jìn)的開(kāi)關(guān)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(guò)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(guò)可編程延遲可去飽和檢測，短路期間有IGBT門(mén)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(yōu)的抗輻射干擾。 OBC及DC-DC方案 典型的OBC由多個(gè)級聯(lián)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(gè)版本：快速驅動(dòng)(FAST)、易驅動(dòng)(Easy Drive)和快恢復(FRFET)。FAST版本適用于硬開(kāi)關(guān)拓撲，小Qg和Eoss有助于實(shí)現高能效。易驅動(dòng)版本適用于硬/軟開(kāi)關(guān)拓撲，內置門(mén)極電阻(Rg)和優(yōu)化的電容，EMI低。FRFET版本適用于軟開(kāi)關(guān)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(chē)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(chē)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(zhù)的優(yōu)勢。如安森美半導體的APM16模塊，采用同1個(gè)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(yōu)化設計。 3. SiC方案 隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)兩次充電間更多的里程和更快的充電時(shí)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(mǎn)足這些要求，提供更快開(kāi)關(guān)、更低功耗、更高功率密度、更高工作溫度，從而實(shí)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(chē)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(chē)級650 V SiC二極管有6 A、8 A、10 A、20 A、30 A、50 A、集成兩個(gè)獨立的10 A或兩個(gè)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(lài)比超結MOSFET少一半，提供更好的熱導率，適用于高溫環(huán)境，更高的開(kāi)關(guān)速度支持高頻工作和減少無(wú)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(kāi)關(guān)。適當的門(mén)極驅動(dòng)選擇是個(gè)關(guān)鍵要求。關(guān)態(tài)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(chē)900 V SiC MOSFET的門(mén)極驅動(dòng)電平提供+15 V/-5 V的驅動(dòng)電源，RDS(on)有20 mΩ、30 mΩ、60 mΩ和80 mΩ的規格，采用TO247-3L、D2pak7L封裝或裸芯；1200 V SiC MOSFET的門(mén)極驅動(dòng)電平則提供+20 V/-5 V的驅動(dòng)電源，RDS(on)有20 mΩ、40 mΩ和80 mΩ的規格，采用TO247-3L、D2pak7L封裝或裸芯。 高壓輔助電源方案 電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)高壓輔助電源方案用于如電動(dòng)增壓器、交流壓縮機、EPS、減搖、散熱風(fēng)扇、液壓泵、空調壓縮機和PTC加熱器等車(chē)輛子系統。推薦用安森美半導體的汽車(chē)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的結溫、出色的強固性、超長(cháng)的使用壽命、設計周期及裝配流程短、通過(guò)汽車(chē)認證。 如圖3所示，針對空調電動(dòng)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?xún)r(jià)比也得以提升。
圖3：分立方案 vs. ASPM模塊方案用于電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)空調電動(dòng)壓縮機 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的熱導率約為AI2O3的7倍，適用于更高功率的應用場(chǎng)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(chǎng)合。這些ASPM集成IGBT(具有優(yōu)化的門(mén)極驅動(dòng))、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(chē)邁向純電動(dòng)的進(jìn)程中衍生出的一種新興技術(shù)，能比12 V電池驅動(dòng)更高的功率負載，實(shí)現更高的能效和降低排放。 針對48 V皮帶起動(dòng)機(BSG)，關(guān)鍵器件有80 V至100 V 分立MOSFET、APM17/15 半橋模塊、半橋門(mén)極驅動(dòng)器、電流檢測放大器和運放。針對48 V-12 V DC-DC轉換器，關(guān)鍵器件有80 V/ 100V MOSFET用于buck-boost 開(kāi)關(guān)、30V/40V MOSFET 用于OR-ing 和安全關(guān)斷、半橋 MOSFET驅動(dòng)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(fā)動(dòng)機散熱風(fēng)扇、水泵、空調壓縮機等，關(guān)鍵器件有80 V/100 V MOSFET、MOSFET 模塊、門(mén)極驅動(dòng)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(shù)，如TOLL、Power88、SO-8FL、u8FL，比傳統的封裝如D2PAK、DPAK、SOT-223等實(shí)現更低阻抗、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通電阻率。 采用模塊方案可減少整體系統尺寸和成本，簡(jiǎn)化熱設計。安森美半導體用于48 V中度混動(dòng)汽車(chē)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(dòng)壓縮機、電動(dòng)增壓器、起動(dòng)發(fā)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(dòng)汽車(chē) 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(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(chē)載充電器、動(dòng)力總成、車(chē)身控制和安全的電機控制系統、信息娛樂(lè )、照明等電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)應用。 汽車(chē)照明 車(chē)燈有助于打造汽車(chē)個(gè)性化外型，和在主動(dòng)安全發(fā)揮重要作用，如某個(gè)牌子的車(chē)，車(chē)燈轉向時(shí)，有亮麗、酷炫的效果，帶給用戶(hù)不一樣的用戶(hù)體驗。這些都是通過(guò)智能的車(chē)燈控制系統實(shí)現的。安森美半導體在車(chē)燈控制方面有非常豐富的產(chǎn)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(shuō)前燈，第四代已經(jīng)在開(kāi)發(fā)當中，是高電壓、高功率的產(chǎn)品，可以實(shí)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(zhù)汽車(chē)增長(cháng)的功能電子化，設計中還需要考慮使用eFuse和SmartFET實(shí)現診斷和保護功能。eFuse模仿機械保險絲的行為，通過(guò)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，還包含額外的控制和診斷功能。SmartFETs被優(yōu)化用于車(chē)內的許多地方，如發(fā)動(dòng)機控制模塊(ECM)、車(chē)身控制模塊(BCM)等。安森美半導體的SmartFETs和eFuse通過(guò)使用先進(jìn)的功能來(lái)延長(cháng)器件使用壽命，且不再需要人工替換繼電器或保險絲，滿(mǎn)足對更高質(zhì)量和可靠性的要求，從而使車(chē)廠(chǎng)能夠創(chuàng )建對任何故障事件立即作出響應的配電網(wǎng)。 總結 安森美半導體是唯一能提供全面的電動(dòng)動(dòng)力總成方案、和少數同時(shí)具備硅、SiC技術(shù)的供應商，提供全面的高性能、高能效、通過(guò)汽車(chē)認證的功率分立半導體和模塊，以及最先進(jìn)的封裝技術(shù)，和可根據客戶(hù)需求定制方案，并不斷創(chuàng )新，推進(jìn)汽車(chē)智能化、電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)、48 V汽車(chē)功能電子化進(jìn)程，幫助汽車(chē)動(dòng)力提升能效，促進(jìn)節能減排。 |
