混合動力汽車對電源芯片與功率器件的挑戰(zhàn)
在汽車行業(yè)的發(fā)展方向上,電動汽車(EV)和油電混合動力汽車(HEV)正成為一個明顯的趨勢。從技術(shù)角度來說,目前更為可行的是混合動力。混合動力汽車是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源(由傳統(tǒng)的汽油機或者柴油機產(chǎn)生)與電動力源(電池與電動機)的汽車。這樣汽車的動力系統(tǒng)可以按照整車的實際運行狀況靈活調(diào)控,幫助發(fā)動機保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作,從而降低油耗與尾氣排放。
對于終端消費者來說,混合動力車型已經(jīng)得到越來越多的認可。從最早進入大眾視線的豐田普銳斯開始,本田思域、福特翼虎、寶馬混合動力X6、凱雷德混合動力版、保時捷混合動力版卡宴、雷克薩斯RX450H等,以及一些國產(chǎn)混合動力車包括奇瑞A5、長安杰勛混合動力車、比亞迪F3DM等等,都逐漸進入了市場。但是,對于半導體廠商來說,還有兩大挑戰(zhàn)是需要長期研究的課題。
挑戰(zhàn)一:對鋰電池組安全的群體性擔憂
細數(shù)2009年幾大車展上的EV及HEV,其中一個明顯的趨勢就是采用了鋰離子電池來替代鎳氫電池,且業(yè)界普遍認為鋰離子會在2015年時占據(jù)市場主導地位。然而考慮到鋰離子電池自身的不穩(wěn)定性,需要精心的設計和先進的監(jiān)測方案來確保安全工作。例如電池過壓會引起電池溫度的迅速升高,引發(fā)燃料泄漏的過熱失控狀態(tài)。
“縱使鋰離子電池在尺寸、重量、再充電速度、壽命周期和抵抗存儲器效應方面都具有突出的優(yōu)勢,但是它們在過充狀態(tài)或深度放電過程中往往會發(fā)生過熱現(xiàn)象。因此,在鋰離子電池的使用中,保護和安全功能是極為重要的。”Atmel高壓產(chǎn)品線高級行銷經(jīng)理Claus Mochel指出。Atmel的鋰離子電池管理芯片組ATA6870/71集成了熱插拔功能、6個截止頻率低于30Hz的集成式模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個可堆疊的微控制器電源,省去了外部濾波器,較同類解決方案需要的外部組件更少。
凌力爾特公司信號調(diào)理產(chǎn)品產(chǎn)品市場經(jīng)理Brian Black也持相同觀點,“混合動力型汽車與使用汽油的傳統(tǒng)汽車的不同之處在于混合動力型汽車使用一個大型電池組。這個電池組必須仔細管理,以最大限度地延長車輛的可行駛距離、電池組壽命、以及當然還有系統(tǒng)可靠性和安全性?!泵總€鋰離子電池組一般都由串聯(lián)連接的電池單元并聯(lián)組合而成,這樣產(chǎn)生的電池組將有數(shù)百伏電壓,放電電流可能超過200A。使用鋰離子電池增加了電池管理系統(tǒng)電路的復雜性和所需的精確度。
針對需要多種電池管理功能的應用,理想的解決方案是可執(zhí)行電池測量、故障檢測、溫度測量和電池容量平衡的集成式電池監(jiān)視器。LTC6802能測量多達12個單獨的電池,幾個LTC6802可以疊置,用來測試>1000V的系統(tǒng)。在電池管理系統(tǒng)中,LTC6802完成繁重的模擬功能,將數(shù)字電壓和溫度測量值傳送到主處理器,用于充電狀態(tài)計算。LTC6802的高準確度、卓越的噪聲抑制、高壓容限和廣泛的自診斷功能使其非常堅固和易用。其高集成度意味著,與分立組件數(shù)據(jù)采集設計相比,客戶可以節(jié)省大量成本。
由于HEV通常需要數(shù)百節(jié)電池串聯(lián)供電,故障引起的后果是嚴重的:一節(jié)電池的故障可能會造成整個電池組的燃燒或爆炸。通常的保護電路大都采用多個3或4通道故障監(jiān)測器,并且在監(jiān)測器與模擬電路及無源器件(電阻、多路復用器等)之間采用昂貴的電流隔離器。美信的MAX11080具有12通道故障監(jiān)測器,采用專有的電容隔離式菊鏈接口,大大減小了元件數(shù)量。這種獨特的架構(gòu)允許連接多達31個器件至串接電池組,對多達372節(jié)電池進行監(jiān)測。同時,基于電容的接口提供了成本極低的電池組間隔離,消除了級聯(lián)電氣故障。由于省去了昂貴的隔離元件,美信的方案比分立方案節(jié)省75%的空間,將典型的電池管理系統(tǒng)成本從250美元降低至50美元。此外,MAX11080具有業(yè)內(nèi)最高的精度、極低的功耗、集成的安全和自診斷功能、以及多個可配置功能,有效解決了大容量電池組安全監(jiān)控相關的問題。
相對于傳統(tǒng)汽車電源而言,混合動力汽車的電源功率更大,電壓更高。“對于電源管理而言,需要管理的對象不是單個電源,而是由電池單元串連和并聯(lián)之后的大規(guī)模電池陣列,由于電池單體在生產(chǎn)的差異性導致給電源管理帶來很大的工作負擔,需要對每個電池單元的健康狀況進行監(jiān)控和調(diào)整?!庇w凌科技(中國)有限公司汽車電子業(yè)務部高級市場工程師曹洪宇補充道,“另外在整個系統(tǒng)運行過程中也要很好的處理突發(fā)的功率需求和剎車能量回饋帶來的沖擊。安全+響應速率就決定了系統(tǒng)的成敗。”
由于鋰離子電池對過度充電和深度放電非常敏感,在這些情況下它們都有可能燃燒或爆炸。Atmel公司的次級保護器件ATA6871提供了一種特殊的安全策略,監(jiān)控電池單元的電壓和溫度,防止鋰離子電池發(fā)生熱失控或爆炸。一旦電池單元發(fā)生上述其中一項異常情況,便會通過緊急繼動裝置予以關斷。ATA6871帶有無需外部微控制器或軟件就能夠運行的內(nèi)建自我測試程序,以及由硬件實現(xiàn)的監(jiān)控閾值,能夠提供安全級別最高的鋰離子電池監(jiān)控功能。即使初級器件被損壞,也可以確保正常的運作。
對鋰電池組安全的群體性擔憂,促使業(yè)界研發(fā)更為精密安全的電池檢測管理芯片,汽車半導體廠商不斷地推出新的電池管理和功率解決方案,力圖在確保安全的前提下延長電池的壽命,并降低成本、體積和重量。
挑戰(zhàn)二:掃除高壓電氣系統(tǒng)的障礙
HEV設計的另一個挑戰(zhàn)是高電壓。傳統(tǒng)轎車使用的是12V的電源系統(tǒng),而輕度、全面及插電式HEV卻需要600V到1,200V之間的高電壓電子系統(tǒng),這使設計更具挑戰(zhàn)性。
“HEV最重要的革命性改變是動力系統(tǒng)的電氣化,它要求大動力的電動引擎,并且必須在比標準12V內(nèi)燃引擎推動的汽車更高的電壓下運行。另外,HEV的電池和能源管理是基于12V和一個數(shù)百伏的高電壓電池的雙電網(wǎng),以及對汽車領域來說屬于嶄新設計的DC/DC轉(zhuǎn)換器和功率管理方案?!眹H整流器公司(IR)汽車產(chǎn)品副總裁及總經(jīng)理Henning M. Hauenstein博士指出
HEV的汽車結(jié)構(gòu)需要使用高電壓。因此,功率管理IC必須承受典型600V的電壓水平,在一些大馬力的HEV型號中更可能要承受高達1,200V的電壓。IR有為輕型混合動力汽車提供先進的電機驅(qū)動解決方案,而那些在10-15kW范圍的動力系統(tǒng)電機,通常會使用擁有600V能力的產(chǎn)品。至于全混合動力和插電式混合動力汽車,以及那些電機高達,甚至超出100kW的電動汽車,IR有高達1,200V的開關和驅(qū)動IC供應。
相關的功率IC除了需要高達600V到1,200V的高電壓能力外,也需要驅(qū)動逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器中前所未見的電流密度的開關。功率IC要面對這樣的高功率、高電壓以及高能源,就要以堅固耐用、可靠性和安全作為主要的條件。Hauenstein博士表示,“IR非常重視電機驅(qū)動IC的保護功能,例如它們在HEV牽引電機出現(xiàn)嚴重故障和短路時,免除了微型控制器的互動需要。我們是業(yè)界率先為負電壓尖峰免疫性引入安全操作區(qū)指標的公司,因為這個問題在HEV逆變器中,開關高電流、高電壓IGBT時十分常見?!?
IGBT位于逆變器中,為混合系統(tǒng)的電機提供能量。英飛凌IGBT技術(shù)可為HEV動力系統(tǒng)帶來諸多優(yōu)勢。溝槽場終止技術(shù)可降低傳導損耗和開關損耗,同時可使尺寸縮小30%。英飛凌結(jié)合溝道場終止IGBT(絕緣柵雙極晶體管)技術(shù)和Emcon二極管技術(shù)進行開發(fā)的HybridPACK1功率模塊用于輕度混合動力汽車;HybridPACK2則完全混合動力汽車應用。
幾年前,汽車中的功率器件大多數(shù)都是55V到60V的MOSFET,主要用于汽車的動力傳動系統(tǒng)?,F(xiàn)在的汽車則采用20V到600V的功率器件。對于動力轉(zhuǎn)向及制動這類應用,開發(fā)工程師正在尋找具有低導通阻抗的高性能低壓溝道型MOSFET,以降低汽車的功耗。
IR由體積最小的HEV,也就是所謂微型混合動力汽車開始,為它們的啟動/停止功能提供極為耐用的MOSFET。啟動/停止功能讓汽車在交通燈前停車或者下山時自動停止內(nèi)燃引擎操作,而相關的制動能量便可以補充給電池。頻繁的引擎發(fā)動,使起動器或者集成式起動發(fā)電機要求非常耐用的功率管理方案,這是因為當你以車匙發(fā)動汽車時,普通的起動器只會發(fā)動引擎一次,但集成式起動發(fā)電機則要在頻繁的啟動/停止周期中應付高得多的功率。IR的AUIRS2003S是一款高功率MOSFET驅(qū)動器,并備有高、低側(cè)參考輸出通道,適用于惡劣的汽車環(huán)境及引擎罩下的應用。這款輸出驅(qū)動器具有高脈沖電流緩沖級,可將驅(qū)動器跨導降至最低,而浮動通道可在最高200V的高側(cè)配置中驅(qū)動一個N溝道功率MOSFET。該器件還提供低靜態(tài)電流,可為高側(cè)電路帶來低成本自舉電源。
為了滿足電池和功率管理、以及相關的DC/DC轉(zhuǎn)換器的要求,IR的HEV方案系列也包括了具備非常低EMI和優(yōu)化了的開關性能的驅(qū)動器及開關。例如最新的DirectFET MOSFET產(chǎn)品便完全不用鍵合線,并且因為消除了大部分的寄生電感,以及具備最小的封裝電阻,所以能夠提供最佳的開關性能。除了領先行業(yè)的低導通電阻、卓越的開關性能和增強了的溫度能效(例如雙側(cè)散熱),這款十分先進的無鍵合線芯片尺寸封裝讓設計的體積顯著減小,特別適用于高功率要求或者如HEV DC/DC轉(zhuǎn)換器這些快速開關應用。
Allegro MicroSystems公司具有故障診斷和報告功能的全橋式MOSFET預驅(qū)動器A4940,采用超小型封裝,提供靈活的輸入接口、自舉監(jiān)控電路、寬泛的工作電壓(5.5至50V)和溫度(40℃至+150℃)范圍。該器件特別針對使用大功率電感負載(如:直流電刷電動機)的汽車應用而設計。
壓電噴射或高強度照明等其它應用需要100V到200V的功率器件和驅(qū)動器。而點火IGBT和混合動力電動汽車在使用300V到1,000V以上的IGBT。飛兆半導體公司的柵極驅(qū)動器FAN7080x系列,讓工程師開發(fā)出在所有操作條件下更準確、精密的燃油噴射控制系統(tǒng),從而提高燃油效率。這些柵極驅(qū)動器在高側(cè)和橋驅(qū)動器應用中驅(qū)動MOSFET和IGBT,如直接燃油噴射系統(tǒng)和電機控制。與市場上同類器件相比,它們的靜態(tài)功耗減少一半以上(靜態(tài)電流100μA對比240μA),容許設計人員優(yōu)化系統(tǒng)和擴大工作范圍。
絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率MOSFET作為混合動力汽車的核心技術(shù),吸引功率半導體廠商紛紛瞄準這個龐大的市場。ISuppli曾預測汽車IGBT市場有望以17.2%的年復合增長率高速發(fā)展,位居汽車電源管理器件之首,MOSFET市場增長居其次。雖然在未來幾年中混合動力車輛還將只是占據(jù)車輛市場的一小部分,但混合動力對逆變器和DC/DC的集中需求將形成市場對IGBT和功率MOSFET的巨大需要。
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