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      汽車高壓輔助系統的新興趨勢及安森美對應的解決方案
      [ 通信界 | 盧昆明 | www.sdgj0817.com | 2022/10/27 16:41:03 ]
       

      隨著電動汽車的大力發展,對高壓輔助系統如電動壓縮機、電動渦輪增壓、電動冷卻風扇、電動泵等的需求越來越多。這些高壓執行系統在電動/混動汽車(以下簡稱“xEV”)中取代了傳統的內燃機皮帶驅動系統,執行著暖通空調、電池冷卻循環、主動懸掛、發動機冷卻及泵油等功能。

      在xEV的高壓輔助電源系統中仍然包含12 V電源網絡,為能驅動大功率負載,還需添加高壓電源網絡400 V或800 V。有些OEM為了減小布線尺寸,還可能添加有48 V電源網絡。

      無論什么樣的xEV平臺,安森美(onsemi)都能提供全面的高壓輔助系統解決方案,從12 V到800 V,包括各類電壓和電流等級的功率模塊和分立器件,易于擴展各種功率等級,從數百W到十幾千W,輔以門極驅動器、電流檢測運放、通用運放和比較器、反激控制器、DCDC、低壓降穩壓器(以下簡稱“LDO”)、理想二極管、CAN/LIN、電感式位置傳感器、E2PROM、其它的小信號分立器件等,覆蓋整個高壓輔助系統,一站式方案和服務滿足各種不同的設計需求。在整個高壓輔助系統的應用中,安森美產品的物料單(BOM)含量可以達到10~15美金左右,器件類型多達20多種。本文將回顧這些系統級應用,并介紹安森美對應的解決方案和產品及其優勢。

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      圖1:安森美提供完整的高壓輔助系統解決方案

      高壓輔助系統應用概覽

      在xEV中,高壓輔助系統使用逆變器驅動輔助電機,以取代傳統的皮帶驅動模塊。逆變器的功率及能效直接影響著系統級的性能和能效乃至xEV的續航里程。逆變器將高壓直流電轉換成3相交流電驅動電機,同時可以通過控制逆變器輸出的電壓、電流和頻率等來控制電機的速度、加速度和扭矩。一般用于驅動這些電機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。為提高系統性能,需要最優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、電流和溫度監測、及車載網絡,同時需要考慮到高壓隔離。

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      圖2:汽車高壓輔助系統應用框圖 (橙色代表安森美可提供的產品)

      選用安森美的方案,在車輛層面能達到的優勢包括:

      · 對系統輸入的反應速度更快,如可以更快地加速到所需的速度、可以實現高粘度液體的扭矩控制

      · 可以達到更高的能效,因而在xEV上相同的電池容量就能實現更長的續航里程

      · ASPM模塊的尺寸相對分立方案要小很多,因此占用較小的車輛空間

      · 功率模塊的熱阻相對分立方案也要更小,從而簡化系統的散熱設計,進一步減小整個系統的物理體積

      汽車智能功率模塊

      針對400 V和800 V系統,安森美分別有650 V和1200 V的汽車智能功率模塊(以下簡稱“ASPM”),都符合AQG324車規,電氣上可以根據客戶的功率需求集成多個大電流的IGBT,布局上非常緊湊以減小整個模塊的寄生電感,還能內置緩沖電路以改善EMI特性,可以選擇合適的Rg優化di/dt和dv/dt,熱阻非常低,內含隔離層,能實現較高的功率密度,且集成度非常高,內置門極驅動器、續流二極管,并具有過流關斷、溫度監測、欠壓保護、故障輸出等保護功能。從整個系統來看,ASPM具有非常顯著的尺寸優勢,熱性能和電氣性能都優于分立方案,從整個系統成本來說,考慮到PCB、機械安裝、質量和性能成本,系統功率越高,使用ASPM模塊會比分立器件更具成本優勢。

      650 V ASPM27有V2和V3兩個版本,分別使用第3代和第4代場截止溝槽技術。V3相對于V2,導通損耗和開關損耗都有所降低。安森美的650 V ASPM涵蓋30 A、40 A、50 A和60 A的應用,其中60 A的模塊為實現大功率輸出,其覆銅板(以下簡稱“DBC”)材料為AlN,結到外殼的熱阻極低。

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

      ASPM27和ASPM34內部門極驅動器的源電流和灌電流能力分別為2 A和4A,控制頻率可達到50 kHz,內部集成的IGBT具有低導通損耗和開關損耗的特性,能夠為電機控制提供優化的dv/dt和di/dt。內部集成的續流二極管是軟恢復特性,具有較好的EMI性能。

      1. ASPM應用實例:壓縮機尺寸減小

      xEV高壓系統中電子壓縮機的功率輸出需達到5 kW甚至是7 kW,由于壓縮機尺寸越來越小,那么要求電路板的尺寸也需較小,此外還要求散熱性能好、性價比高。對于400 V系統,可選用安森美的ASPM27,對于800 V系統,可選用安森美的ASPM34。

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

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      圖3:電子壓縮機采用安森美的ASPM比采用分立方案顯著縮減尺寸

      2. ASPM應用實例:變速箱油泵轉向電動油泵,節省能耗

      傳統的變速箱機械式油泵,其動力來源于發動機,只要發動機運轉,變速箱油泵就得全時運行,浪費能量。在xEV中切換成電動油泵后就可以選擇性地電機控制,可更大限度地節省液壓系統能量消耗。

      再者,變速箱油在低溫下粘度很高,會造成低溫下啟動電流過大及啟動轉矩過大的問題。因此需要高壓電機驅動油泵,安森美的650 V/50A ASPM27模塊能較好地契合此應用需求。

      門極驅動器

      1. 單通道

      NCV57000和NCV57001是全功能型的隔離型IGBT 門極驅動器,包含有負壓驅動、desat檢測、軟關斷、門極鉗位、欠壓檢測、故障輸出等功能。其中NCV57000有分開的source和sink輸出引腳,而NCV57001只有單個輸出引腳。

      簡化功能版本的IGBT 門極驅動器,如NCV57080、57090、57084和57085,只包含有門極鉗位或負壓驅動或desat檢測等,還分別有窄體和寬體版本。

      非隔離型的IGBT 門極驅動器NCV5700和NCV5702是全功能型的,包含有負壓驅動、desat檢測、門極鉗位、欠壓檢測、故障輸出等功能。NCV5701、5703和5705等是簡化功能版本的非隔離型的IGBT 門極驅動器。

      2. 雙通道

      對于IGBT,安森美有兩類雙通道的門極驅動器。其中NCV57200和NCV57201是半橋型的,只有高邊驅動是隔離的,NCV57200內置死區時間。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NC引腳,增加了電氣間隙和爬電距離。

      對于MOSFET的雙通道隔離門極驅動器,可以采用NCV51561A/B。對于SiC MOSFET的雙通道隔離門極驅動器,可以采用NCV51561C/D,具有更高的欠壓保護值。

      模擬信號鏈

      安森美的模擬信號鏈產品如通用運放、低功耗運放、精密運放、電流檢測運放和比較器廣泛用于汽車主動安全、自動駕駛、車身、動力總成、音頻娛樂和LED照明等應用,為汽車的所有電源和傳感器信號調節提供低功耗和高性能的方案。

      其中,高邊電流檢測運放有5個系列,其中NCV21x系列是26 V共模產品,NCV2167x和NCV21671系列是40 V共模產品,NCV7041和NCV703x系列是80 V共模產品,采用零漂移結構,能實現非常高的精度,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。零漂移結構能持續性校準偏置電壓,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間的變化,提高產品整個生命周期的性能。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運放還內部集成了增益電阻,具有非常低的溫度系數,可以減小阻值隨溫度的變化,因此進一步提高了檢測精度,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。

      對于低邊電流檢測,安森美提供需外置增益電阻的電流檢測運放,有高精度、高增益帶寬的產品,同時也提供了高性價比的產品。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系列同時具有高增益帶寬積。

      對于低成本電流檢測運放有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個系列的低功耗運放: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,可以從高壓側取電,也可以從低壓側取電,用于生成后級的門極驅動器供電電源、運放/IVN等的供電電源。如果從高壓側取電,一般需求是輸入電壓范圍為250 V~900 V,在48 V系統中輸入電壓范圍為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,一般使用反激拓撲實現。

      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,選用了初級端脈寬調制(PWM)控制器NCV1362作為反激拓撲的控制器,能提供恒定的電壓和電流調節,主MOS選用了1200 V 160 mohm的SiC MOS,可以降低損耗,提高能效。整個方案物料較少,成本最優化。當輔助電源還需要驅動額外的負載時,該15 W方案還可以擴展到40 W (SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB)。

      2. 輔助電源——門極驅動器電源

      當前級輔助電源設計好后,門極驅動器的供電電源可由前級輔助電源的輸出電壓產生,范圍一般為6 V~24 V。每路門極驅動器的驅動功率大約為1.5 W,對于驅動SiC MOSFET需要輸出20 V和-5 V,對于驅動IGBT需要輸出15 V和-7.5 V。門極驅動器的供電電源也使用反激拓撲。如安森美的1.5 W隔離型IGBT 門極驅動器供電電源方案SECO-LVDCDC3064-IGBT-GEVB和1.5 W隔離型SiC門極驅動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多拓撲的NCV3064作為DCDC控制器。整個方案簡單穩定可靠,外圍器件數量少。

      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USB控制,進行靈活的編程和快速驗證,為安全攸關的應用提供所需的精確位置傳感。

      總結

      xEV的輔助系統逐漸取代了傳統皮帶傳動的機械應用。xEV高壓輔助模塊要求跨功率層級的靈活性,同時保持系統性能和最小化熱耗費和物理尺寸。安森美提供一站式方案,包括SiC、IGBT、超級結MOSFET、 ASPM、門極驅動器等,可開發出可擴展的系統,滿足從12 V到800 V的應用需求,這些方案具有高能效、高功率密度和高性能及成本優勢,輔以安森美的銷售和技術團隊支援,助力設計人員開發出同類最佳的設計。

       

      1作者:盧昆明 來源:通信界 編輯:顧北

       

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