汽車(chē)自動(dòng)駕駛技術(shù)中的功率電子技術(shù)設(shè)計(jì)

在全球日益關(guān)注碳中和的背景下，各大汽車(chē)廠商紛紛宣布進(jìn)軍電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)。全部或部分由電池和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的xEV正在引領(lǐng)這一趨勢(shì)。汽車(chē)行業(yè)正在經(jīng)歷一場(chǎng)大規(guī)模的技術(shù)創(chuàng)新浪潮，比如利用攝像頭和傳感器檢測(cè)周?chē)畔⒁暂o助駕駛的ADAS的加速發(fā)展以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的演變。

隨著向電動(dòng)汽車(chē)和電子設(shè)備的轉(zhuǎn)變，車(chē)載電子控制單元(ECU)*2 (控制發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)、制動(dòng)器和傳感器的計(jì)算機(jī)) 的數(shù)量也在增加。實(shí)際上，最新型的汽車(chē)中已使用了數(shù)百個(gè)電子控制單元。

電子功率控制EPC(Electronic Power Control)全稱(chēng)為發(fā)動(dòng)機(jī)電子功率控制系統(tǒng)，很多人也把它稱(chēng)之為電子節(jié)氣門(mén)(Electronic Throttle control)。在EPC系統(tǒng)中，取消以前的油門(mén)拉線而用踏板裝置的傳感器來(lái)取代，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)根據(jù)踏板裝置傳感器來(lái)反饋的位置數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到最佳目標(biāo)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度并發(fā)送一個(gè)信號(hào)給節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使節(jié)氣門(mén)旋轉(zhuǎn)到這個(gè)角度。

EPC(Electronic Power Control)全稱(chēng)發(fā)動(dòng)機(jī)電子功率控制系統(tǒng)，很多人也叫它ETC(Electronic Throttle Control)電子節(jié)氣門(mén)。該系統(tǒng)由一些傳感器、控制器等元件組成。當(dāng)某傳感器出現(xiàn)故障或感知到不正常的情況時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)設(shè)置好的程序采取相應(yīng)的措施。以往駕駛員根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力需求來(lái)加速踏操控板，加速踏板通過(guò)鋼絲拉線控制節(jié)氣門(mén)開(kāi)度。在EPC系統(tǒng)中，取消以前的油門(mén)拉線而用踏板裝置的傳感器來(lái)取代，發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(ECU)根據(jù)踏板裝置傳感器來(lái)反饋的位置數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到最佳目標(biāo)節(jié)氣門(mén)開(kāi)度并發(fā)送一個(gè)信號(hào)給節(jié)氣門(mén)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使節(jié)氣門(mén)旋轉(zhuǎn)到這個(gè)角度。電子節(jié)氣門(mén)一般使用在汽油機(jī)上，由于汽油機(jī)在工作工程中，為了滿(mǎn)足三效催化劑轉(zhuǎn)化的要求，應(yīng)該維持空燃比在1左右。這樣就要求噴油量和節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度是成比例關(guān)系的，車(chē)載電腦會(huì)根據(jù)利用傳感器采集得來(lái)的油門(mén)踏板的開(kāi)度和采集的發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣量來(lái)通過(guò)計(jì)算或是查表的方式，找到這個(gè)條件下的噴油量，使發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比滿(mǎn)足要求。也就是說(shuō)間接的通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的電子節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度來(lái)控制了發(fā)動(dòng)機(jī)的功率。

汽車(chē)中使用電子產(chǎn)品可以追溯到使用電動(dòng)啟動(dòng)器替代手動(dòng)曲柄的20世紀(jì)初。上世紀(jì)60年代，隨著固體電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，汽車(chē)電子開(kāi)始盛行起來(lái)?，F(xiàn)今存在著幾種推動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的需求，尤其是功率半導(dǎo)體器件需求的趨勢(shì)。它們是：

(1)對(duì)于乘客舒適性和便利性功能的顯著需求，如座椅加熱和座椅制冷、自動(dòng)座椅定位、高級(jí)照明以及多區(qū)暖通空調(diào)(HVAC)。這些系統(tǒng)應(yīng)用都需要更大的功率和更多的功率管理。飛兆半導(dǎo)體的集成高側(cè)開(kāi)關(guān)等產(chǎn)品具有高效控制和管理上述功率負(fù)載的功能。

(2)先進(jìn)的動(dòng)力傳動(dòng)系控制系統(tǒng)提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了車(chē)輛排放。這些系統(tǒng)必須更精確地控制燃燒過(guò)程，連續(xù)不斷地提供狀態(tài)檢查，同時(shí)在系統(tǒng)需要正常運(yùn)作所必需的功率和模擬控制功能。飛兆半導(dǎo)體的40V和60V PowerTrench MOSFET器件、高側(cè)開(kāi)關(guān)以及智能點(diǎn)火產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足這些要求。

(3)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向等成熟的輔助系統(tǒng)正在越來(lái)越多地從機(jī)械式轉(zhuǎn)向電子式。隨著發(fā)展，這些系統(tǒng)要求更大的電流密度和更低的功率消耗。飛兆半導(dǎo)體的30/40V MOSFET和汽車(chē)功率模塊(APM)技術(shù)是提供這些應(yīng)用所需的高效率和高功率密度解決方案的基礎(chǔ)。

(4)電動(dòng)和混合電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)等替代動(dòng)力傳動(dòng)系技術(shù)需要顯著增加汽車(chē)的功率處理能力，需要能夠處理1kW~40kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器等新型汽車(chē)電子產(chǎn)品。根據(jù)車(chē)輛的結(jié)構(gòu)，需要使用集成化混合動(dòng)力總成(Integrated Starter Generator, ISG)和牽引馬達(dá)逆變器來(lái)處理5kW~120kW或更高功率。飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench MOSFET、場(chǎng)截止IGBT、智能開(kāi)關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器等通過(guò)了汽車(chē)產(chǎn)品認(rèn)證的功率電子產(chǎn)品，采用分立或先進(jìn)模塊形式提供，為這些先進(jìn)系統(tǒng)提供了高成本效益解決方案。

二、使用飛兆半導(dǎo)體智能功率和功率技術(shù)的系統(tǒng)

1、 汽車(chē)照明

為了處理系統(tǒng)性和隨機(jī)性故障，使用分立MOSFET、智能MOSFET功率開(kāi)關(guān)以及IGBT等電子器件來(lái)替代機(jī)械式開(kāi)關(guān)和繼電器，用于控制車(chē)燈、柴油車(chē)預(yù)熱塞系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及馬達(dá)。智能功率器件(SPD)可以在消除機(jī)械噪聲和燃弧的同時(shí)提高質(zhì)量和可靠性。

圖1所示的智能功率器件是一款N溝道功率場(chǎng)效應(yīng)管(FET)，具有一個(gè)內(nèi)部電源、電流受控輸入、帶負(fù)載電流感測(cè)的診斷反饋功能以及嵌入式保護(hù)功能。使用chip-on-chip和chip-by-chip技術(shù)集成功率級(jí)、控制、驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)電路。

圖1，智能MOSFET結(jié)構(gòu)圖。

SPD的主要目標(biāo)是替代汽車(chē)?yán)^電器和熔斷器。智能開(kāi)關(guān)能夠?qū)㈤_(kāi)關(guān)和保護(hù)功能結(jié)合在單一芯片中。因此，從總體成本角度看，SPD可以提供較繼電器和熔斷器更便宜的解決方案。除了保護(hù)功能外，SPD具有減少線束，加入診斷功能和實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的更多優(yōu)勢(shì)，所以，SPD不僅能夠保護(hù)自身，還能保護(hù)與其相連的負(fù)載和鄰近器件。可以使用帶有一些外部元件的應(yīng)用電路，依照應(yīng)用系統(tǒng)正確地運(yùn)作系統(tǒng)。

2、分立式功率器件(DC-DC轉(zhuǎn)換器)

目前，最重要的環(huán)境問(wèn)題之一就是作為運(yùn)輸主要能源之一的碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生的污染。混合動(dòng)力車(chē)(HEV)和電動(dòng)車(chē)(EV)正逐漸成為“綠色”運(yùn)輸?shù)奶娲鷦?dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。這些車(chē)輛不僅涉及牽引部件，而且推動(dòng)了電能轉(zhuǎn)換方面的新應(yīng)用。混合動(dòng)力車(chē)輛內(nèi)的一種關(guān)鍵模塊便是用于電氣負(fù)載輔助電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)镠EV和EV仍然使用頭/尾燈、加熱風(fēng)扇以及音頻系統(tǒng)等輔助負(fù)載。該轉(zhuǎn)換器必須具有處理從高電壓轉(zhuǎn)換至12V電壓的能力，如圖2所示。

圖2，HEV/EV電氣負(fù)載需要能量轉(zhuǎn)換。

因此，應(yīng)用工程師們將注意力集中在HEV和HE系統(tǒng)中的MOSFET和IGBT等高電壓功率器件上。有幾種控制從高電壓到低電壓的能量轉(zhuǎn)換方法。通常使用高電壓和低電壓之間隔離的全橋和移相技術(shù)，這類(lèi)應(yīng)用中的輔助功率轉(zhuǎn)換器代表著電池組對(duì)高壓直流總線的高效管理，根據(jù)電動(dòng)馬達(dá)的功率不同，范圍在200V~800V之間。

此外，系統(tǒng)的效率是一個(gè)關(guān)鍵特性，并且是設(shè)計(jì)選擇的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是在寬負(fù)載條件范圍內(nèi)達(dá)到90%或者更高的效率。

轉(zhuǎn)換器的可靠性是至關(guān)重要的，因?yàn)楣收蠒?huì)引起12V電池的泄放，從而造成所有靠電池電力驅(qū)動(dòng)的附件的故障。另一方面，不能忽略效率和電磁兼容(EMC)問(wèn)題。因此，有源箝位等軟開(kāi)關(guān)和能量回收技術(shù)非常有益。

3、汽車(chē)功率模塊(APM)

高壓(600 VDC)和低壓(12-24VDC)系統(tǒng)都可以使用APM。飛兆半導(dǎo)體向汽車(chē)市場(chǎng)提供用于高壓和低壓系統(tǒng)的APM器件，它們幾乎都用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相馬達(dá)和制動(dòng)器。兩種電壓范圍的APM都采用直接鍵合銅(DBC)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)。

低壓(LV)意味著以更大的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)通常與該類(lèi)型解決方案相關(guān)聯(lián)的較大負(fù)載。低壓應(yīng)用使用30V~60V N溝道MOSFET。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和電驅(qū)動(dòng)液壓混合轉(zhuǎn)向是兩種最普遍的LV-APM解決方案。峰值相位電流能夠達(dá)到100A以上。這需要大的銅質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用于芯片焊盤(pán)(die paddle)和電流通路以及多個(gè)大電流粘合引線。正溫度系數(shù)(PTC)器件、無(wú)源EMC元件、分流器都達(dá)到了更高的集成度并提高了可靠性。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向中使用APM是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化封裝和低系統(tǒng)成本的關(guān)鍵。在靜態(tài)停車(chē)時(shí)，相比液壓系統(tǒng)，降低寄生引擎負(fù)載可以減小車(chē)輛引擎的尺寸，從而更小型車(chē)輛。低壓模塊用于EV/HEV車(chē)輛，也用在傳統(tǒng)的內(nèi)燃式引擎汽車(chē)上。

高壓應(yīng)用主要包括由高母線電壓或主電池組供電的泵和風(fēng)扇。典型的峰值相位電流<20A。這一市場(chǎng)中的模塊化解決方案類(lèi)似于許多工業(yè)市場(chǎng)中的應(yīng)用，并使用類(lèi)似的功率模塊，IGBT和MOSFET解決方案均可使用。典型的模塊有高壓柵極驅(qū)動(dòng)器，以及在共橋回路處用于診斷的某種電流水平感測(cè)。高壓結(jié)構(gòu)必須考慮到引腳間隙要求。在熱管理方面，產(chǎn)品分為帶或不帶增強(qiáng)熱傳導(dǎo)的類(lèi)型。模塊化解決方案是小型集成解決方案的關(guān)鍵，功率處理器件位于制動(dòng)器附近，甚至工作于變速箱等極端環(huán)境中。高壓模塊幾乎都用于EV/HEV車(chē)輛中。