汽車高壓輔助系統(tǒng)的新興趨勢及安森美對應(yīng)的解決方案

隨著電動汽車的大力發(fā)展，對高壓輔助系統(tǒng)如電動壓縮機(jī)、電動渦輪增壓、電動冷卻風(fēng)扇、電動泵等的需求越來越多。這些高壓執(zhí)行系統(tǒng)在電動/混動汽車(以下簡稱“xEV”)中取代了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)皮帶驅(qū)動系統(tǒng)，執(zhí)行著暖通空調(diào)、電池冷卻循環(huán)、主動懸掛、發(fā)動機(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(tǒng)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(kuò)展各種功率等級，從數(shù)百W到十幾千W，輔以門極驅(qū)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(wěn)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(tǒng)，一站式方案和服務(wù)滿足各種不同的設(shè)計需求。在整個高壓輔助系統(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)級應(yīng)用，并介紹安森美對應(yīng)的解決方案和產(chǎn)品及其優(yōu)勢。

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)動輔助電機(jī)，以取代傳統(tǒng)的皮帶驅(qū)動模塊。逆變器的功率及能效直接影響著系統(tǒng)級的性能和能效乃至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)動電機(jī)，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(jī)的速度、加速度和扭矩。一般用于驅(qū)動這些電機(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、及車載網(wǎng)絡(luò)，同時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)勢包括：

· 對系統(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現(xiàn)更長的續(xù)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(tǒng)的散熱設(shè)計，進(jìn)一步減小整個系統(tǒng)的物理體積

汽車智能功率模塊

針對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(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，能實現(xiàn)較高的功率密度，且集成度非常高，內(nèi)置門極驅(qū)動器、續(xù)流二極管，并具有過流關(guān)斷、溫度監(jiān)測、欠壓保護(hù)、故障輸出等保護(hù)功能。從整個系統(tǒng)來看，ASPM具有非常顯著的尺寸優(yōu)勢，熱性能和電氣性能都優(yōu)于分立方案，從整個系統(tǒng)成本來說，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模塊會比分立器件更具成本優(yōu)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(shù)。V3相對于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的模塊為實現(xiàn)大功率輸出，其覆銅板(以下簡稱“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，能夠為電機(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(tǒng)，可選用安森美的ASPM27，對于800 V系統(tǒng)，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%。

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)用實例：變速箱油泵轉(zhuǎn)向電動油泵，節(jié)省能耗

傳統(tǒng)的變速箱機(jī)械式油泵，其動力來源于發(fā)動機(jī)，只要發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)，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(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，會造成低溫下啟動電流過大及啟動轉(zhuǎn)矩過大的問題。因此需要高壓電機(jī)驅(qū)動油泵，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)動器

1. 單通道

NCV57000和NCV57001是全功能型的隔離型IGBT 門極驅(qū)動器，包含有負(fù)壓驅(qū)動、desat檢測、軟關(guān)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(qū)動器，如NCV57080、57090、57084和57085，只包含有門極鉗位或負(fù)壓驅(qū)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(qū)動器NCV5700和NCV5702是全功能型的，包含有負(fù)壓驅(qū)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(qū)動器。

2. 雙通道

對于IGBT，安森美有兩類雙通道的門極驅(qū)動器。其中NCV57200和NCV57201是半橋型的，只有高邊驅(qū)動是隔離的，NCV57200內(nèi)置死區(qū)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(qū)動器，可以采用NCV51561A/B。對于SiC MOSFET的雙通道隔離門極驅(qū)動器，可以采用NCV51561C/D，具有更高的欠壓保護(hù)值。

模擬信號鏈

安森美的模擬信號鏈產(chǎn)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(yīng)用，為汽車的所有電源和傳感器信號調(diào)節(jié)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(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間的變化，提高產(chǎn)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(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(chǎn)品，同時也提供了高性價比的產(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(cè)取電，也可以從低壓側(cè)取電，用于生成后級的門極驅(qū)動器供電電源、運放/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，一般使用反激拓?fù)鋵崿F(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。整個方案物料較少，成本最優(yōu)化。當(dāng)輔助電源還需要驅(qū)動額外的負(fù)載時，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)動器電源

當(dāng)前級輔助電源設(shè)計好后，門極驅(qū)動器的供電電源可由前級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)動器的驅(qū)動功率大約為1.5 W，對于驅(qū)動SiC MOSFET需要輸出20 V和-5 V，對于驅(qū)動IGBT需要輸出15 V和-7.5 V。門極驅(qū)動器的供電電源也使用反激拓?fù)?。如安森美?/span>1.5 W隔離型IGBT 門極驅(qū)動器供電電源方案SECO-LVDCDC3064-IGBT-GEVB和1.5 W隔離型SiC門極驅(qū)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?fù)涞?/span>NCV3064作為DCDC控制器。整個方案簡單穩(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USB控制，進(jìn)行靈活的編程和快速驗證，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)皮帶傳動的機(jī)械應(yīng)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(tǒng)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(jié)MOSFET、 ASPM、門極驅(qū)動器等，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，輔以安森美的銷售和技術(shù)團(tuán)隊支援，助力設(shè)計人員開發(fā)出同類最佳的設(shè)計。相關(guān)技術(shù)文檔，請到這里下載。