汽車(chē)高壓輔助系統的新興趨勢及安森美對應的解決方案

隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的大力發(fā)展，對高壓輔助系統如電動(dòng)壓縮機、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。這些高壓執行系統在電動(dòng)/混動(dòng)汽車(chē)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“xEV”)中取代了傳統的內燃機皮帶驅動(dòng)系統，執行著(zhù)暖通空調、電池冷卻循環(huán)、主動(dòng)懸掛、發(fā)動(dòng)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(wǎng)絡(luò )，為能驅動(dòng)大功率負載，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(xiàn)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，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(lèi)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(mén)極驅動(dòng)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(jiǎn)稱(chēng)“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(gè)高壓輔助系統，一站式方案和服務(wù)滿(mǎn)足各種不同的設計需求。在整個(gè)高壓輔助系統的應用中，安森美產(chǎn)品的物料單(BOM)含量可以達到10~15美金左右，器件類(lèi)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(chǎn)品及其優(yōu)勢。

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(dòng)輔助電機，以取代傳統的皮帶驅動(dòng)模塊。逆變器的功率及能效直接影響著(zhù)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(dòng)電機，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)控制電機的速度、加速度和扭矩。一般用于驅動(dòng)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(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、電流和溫度監測、及車(chē)載網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)需要考慮到高壓隔離。

圖2：汽車(chē)高壓輔助系統應用框圖 (橙色代表安森美可提供的產(chǎn)品)

選用安森美的方案，在車(chē)輛層面能達到的優(yōu)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(shí)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(shí)現更長(cháng)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(chē)輛空間

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

汽車(chē)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(chē)智能功率模塊(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“ASPM”)，都符合AQG324車(chē)規，電氣上可以根據客戶(hù)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，內含隔離層，能實(shí)現較高的功率密度，且集成度非常高，內置門(mén)極驅動(dòng)器、續流二極管，并具有過(guò)流關(guān)斷、溫度監測、欠壓保護、故障輸出等保護功能。從整個(gè)系統來(lái)看，ASPM具有非常顯著(zhù)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(gè)系統成本來(lái)說(shuō)，考慮到PCB、機械安裝、質(zhì)量和性能成本，系統功率越高，使用ASPM模塊會(huì )比分立器件更具成本優(yōu)勢。

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相對于V2，導通損耗和開(kāi)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的應用，其中60 A的模塊為實(shí)現大功率輸出，其覆銅板(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“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(shù)，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(mén)極驅動(dòng)器的源電流和灌電流能力分別為2 A和4A，控制頻率可達到50 kHz，內部集成的IGBT具有低導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗的特性，能夠為電機控制提供優(yōu)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(shí)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(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?xún)r(jià)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(gè)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：電子壓縮機采用安森美的ASPM比采用分立方案顯著(zhù)縮減尺寸

2. ASPM應用實(shí)例：變速箱油泵轉向電動(dòng)油泵，節省能耗

傳統的變速箱機械式油泵，其動(dòng)力來(lái)源于發(fā)動(dòng)機，只要發(fā)動(dòng)機運轉，變速箱油泵就得全時(shí)運行，浪費能量。在xEV中切換成電動(dòng)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(huì )造成低溫下啟動(dòng)電流過(guò)大及啟動(dòng)轉矩過(guò)大的問(wèn)題。因此需要高壓電機驅動(dòng)油泵，安森美的650 V/50A ASPM27模塊能較好地契合此應用需求。

門(mén)極驅動(dòng)器

1. 單通道

NCV57000和NCV57001是全功能型的隔離型IGBT 門(mén)極驅動(dòng)器，包含有負壓驅動(dòng)、desat檢測、軟關(guān)斷、門(mén)極鉗位、欠壓檢測、故障輸出等功能。其中NCV57000有分開(kāi)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(mén)極驅動(dòng)器，如NCV57080、57090、57084和57085，只包含有門(mén)極鉗位或負壓驅動(dòng)或desat檢測等，還分別有窄體和寬體版本。

非隔離型的IGBT 門(mén)極驅動(dòng)器NCV5700和NCV5702是全功能型的，包含有負壓驅動(dòng)、desat檢測、門(mén)極鉗位、欠壓檢測、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(mén)極驅動(dòng)器。

2. 雙通道

對于IGBT，安森美有兩類(lèi)雙通道的門(mén)極驅動(dòng)器。其中NCV57200和NCV57201是半橋型的，只有高邊驅動(dòng)是隔離的，NCV57200內置死區時(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。

對于MOSFET的雙通道隔離門(mén)極驅動(dòng)器，可以采用NCV51561A/B。對于SiC MOSFET的雙通道隔離門(mén)極驅動(dòng)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(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(chē)主動(dòng)安全、自動(dòng)駕駛、車(chē)身、動(dòng)力總成、音頻娛樂(lè )和LED照明等應用，為汽車(chē)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(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，采用零漂移結構，能實(shí)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(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(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(shí)也提供了高性?xún)r(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(gè)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(chē)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(mén)極驅動(dòng)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(shí)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(gè)方案物料較少，成本最優(yōu)化。當輔助電源還需要驅動(dòng)額外的負載時(shí)，該15 W方案還可以擴展到40 W (SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB)。

2. 輔助電源——門(mén)極驅動(dòng)器電源

當前級輔助電源設計好后，門(mén)極驅動(dòng)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(mén)極驅動(dòng)器的驅動(dòng)功率大約為1.5 W，對于驅動(dòng)SiC MOSFET需要輸出20 V和-5 V，對于驅動(dòng)IGBT需要輸出15 V和-7.5 V。門(mén)極驅動(dòng)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(mén)極驅動(dòng)器供電電源方案SECO-LVDCDC3064-IGBT-GEVB和1.5 W隔離型SiC門(mén)極驅動(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多拓撲的NCV3064作為DCDC控制器。整個(gè)方案簡(jiǎn)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(guò)USB控制，進(jìn)行靈活的編程和快速驗證，為安全攸關(guān)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(dòng)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(shí)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(mén)極驅動(dòng)器等，可開(kāi)發(fā)出可擴展的系統，滿(mǎn)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(yōu)勢，輔以安森美的銷(xiāo)售和技術(shù)團隊支援，助力設計人員開(kāi)發(fā)出同類(lèi)最佳的設計。相關(guān)技術(shù)文檔，請到這里下載。