電動/混動汽車方案助力推動能效、節(jié)能、環(huán)保（上）

智能化、電動/混動汽車、48 V汽車功能電子化是當(dāng)今汽車市場的重要趨勢，配合著節(jié)能減排的目標(biāo)前進(jìn)發(fā)展。安森美半導(dǎo)體是唯一提供全面的電動動力總成方案、和少數(shù)同時具備硅、碳化硅(SiC)技術(shù)的供應(yīng)商，并不斷投資于先進(jìn)的封裝，應(yīng)用于電動/混動汽車的主要電力系統(tǒng)如牽引逆變、車載充電(OBC)、電池管理、48 V、和高壓輔助電源(如空調(diào)壓縮機(jī)、油泵等)等。

【圖1：安森美半導(dǎo)體汽車功能電子化方案陣容】

典型的電動/混動汽車高壓PD IGBT/FRD方案

如圖2所示，一臺典型的電動/混動汽車主要包含的電力系統(tǒng)有主逆變、OBC、高壓到低壓DC-DC、輔助電源高壓逆變(風(fēng)機(jī)、泵及壓縮機(jī))、PTC加熱器和電池管理(BMS)。主牽引逆變器將汽車高壓電池提供的直流電流轉(zhuǎn)換為負(fù)責(zé)產(chǎn)生驅(qū)動車輛前進(jìn)所需的轉(zhuǎn)矩的感應(yīng)電動機(jī)所需的交流電流。OBC負(fù)責(zé)對車內(nèi)的高壓電池子系統(tǒng)充電。而許多執(zhí)行各種輔助任務(wù)的車輛子系統(tǒng)，過去由12 V電池供電，現(xiàn)在正轉(zhuǎn)向高壓電池母線(通常是48V、400 V或800 V)，主要由三相電機(jī)驅(qū)動，可以在更高的電壓水平下更高效地運(yùn)行。電池管理確保系統(tǒng)安全。

【圖2：典型的電動/混動汽車高壓PDIGBT/FRD方案】

牽引逆變器方案

電動汽車逆變器通常包含400 V或日漸流行的800 V 高壓電池系統(tǒng)，要求功率半導(dǎo)體器件在600 V至750 V范圍內(nèi)，或900 V至1200V范圍，其性能影響到車輛的整體能效，包括加速和駕駛里程。在選擇逆變模塊所需的電力電子器件時，必須仔細(xì)評估導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，以實(shí)現(xiàn)車輛的目標(biāo)傳動系統(tǒng)性能。安森美半導(dǎo)體提供廣泛的選擇，包括分立IGBT、單面直接散熱(SSDC)模塊、雙面散熱(DSC)模塊、SiC MOSFET、隔離門極驅(qū)動器、電流檢測放大器、CAN收發(fā)器、低壓降穩(wěn)壓器(LDO)、保護(hù)等。

1. IGBT分立方案

針對20至100 kW的逆變器，安森美半導(dǎo)體提供分立IGBT，如650 V/120 A的FGY120T65SPD-F085和650 V/160 A的FGY160T65SPD-F085，采用TP247封裝，具有同類最佳的電氣性、熱性能、強(qiáng)固性、可靠性，符合AEC-Q101Rev. D，100% BVces HTRB，在100% 器件動態(tài)測試中具備強(qiáng)固的瞬態(tài)可靠性，導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗極低，已被美國、中國、歐洲和韓國電動/混動汽車客戶廣泛使用。與模塊相比，分立方案具有成本、靈活設(shè)計和多源可用的優(yōu)勢。可通過并聯(lián)不同數(shù)量的IGBT擴(kuò)展輸出功率，實(shí)現(xiàn)緊湊、極具成本優(yōu)勢的方案，非常適用于A0/A00汽車，功率等級<40kW，總線電壓<200 V。制造工藝方面，參數(shù)分布嚴(yán)格，從而帶來出色的并聯(lián)工作性能。這些器件都在超過3倍額定電流(分別為380A 和500A)的條件下測試，開關(guān)速度快(dV/dt >10V/ns)，從而實(shí)現(xiàn)在各種應(yīng)用條件下強(qiáng)固的抗閂鎖能力。

2. 模塊

模塊在逆變器中非常重要，可提高集成度和降低失效的可能性。針對40至200 kW，安森美半導(dǎo)體提供IGBT晶圓用于模塊裝配;針對100至190 kW，提供SSDC模塊;針對60至200 kW，提供DSC模塊。

3. SiC方案

如果有小型化，并且增加功率的需求，SiC是一個非常不錯的技術(shù)，用于400 V和800 V電池時，逆變器的能效可分別增加65%和80%。推薦方案如安森美半導(dǎo)體的SiC MOSFET NVHL020N120。

4. 門極驅(qū)動

高壓門極驅(qū)動器通常用以實(shí)現(xiàn)電氣隔離和提供更多保護(hù)功能和先進(jìn)的開關(guān)能力。如安森美半導(dǎo)體的NCV57000/001，在米勒平臺電壓下的源/汲電流達(dá)4 A/6 A，Galvanic Isolation 超過5 kV，可保持在1400 V 的工作電壓，在1500 V的工作條件下抗共模干擾>100 kV/us，典型傳輸延遲80 ns， 有軟關(guān)斷功能以抑制尖峰電壓，通過可編程延遲可去飽和檢測，短路期間有IGBT門極鉗位功能，米勒鉗位汲電流高，提供欠壓鎖定(UVLO)保護(hù)，可有效地降低導(dǎo)通損耗，并提供更優(yōu)的抗輻射干擾。

OBC及DC-DC方案

典型的OBC由多個級聯(lián)級組成，即輸入整流、功率因數(shù)校正(PFC)、DC-DC轉(zhuǎn)換、隔離、輸出整流和輸出濾波。推薦超結(jié)MOSFET、APM16模塊和SiC方案。

1. 超結(jié)MOSFET (SuperFet)

SuperFet有3個版本：快速驅(qū)動(FAST)、易驅(qū)動(Easy Drive)和快恢復(fù)(FRFET)。FAST版本適用于硬開關(guān)拓?fù)?，小Qg和Eoss有助于實(shí)現(xiàn)高能效。易驅(qū)動版本適用于硬/軟開關(guān)拓?fù)?，?nèi)置門極電阻(Rg)和優(yōu)化的電容，EMI低。FRFET版本適用于軟開關(guān)拓?fù)?，Qrr和Trr較小，提供更好的系統(tǒng)可靠性和強(qiáng)固性。

【表1為安森美半導(dǎo)體的一些汽車級Super Fet III MOSFET，具有出色的體二極管反向恢復(fù)特性。】

【表1：安森美半導(dǎo)體的汽車SuperFet III MOSFET】

2. 模塊

相較分立方案，MOSFET模塊在PCB布板設(shè)計、制造工藝、尺寸/重量、抗噪性能、散熱效率等方面都有顯著的優(yōu)勢。如安森美半導(dǎo)體的APM16模塊，采用同1個封裝外形，可兼容不同的拓?fù)?，從系統(tǒng)散熱性和布局等方面優(yōu)化設(shè)計。

3. SiC方案

隨著電動汽車兩次充電間更多的里程和更快的充電時間，對更高能效和更高功率密度的需求也隨之增加。寬禁帶技術(shù)滿足這些要求，提供更快開關(guān)、更低功耗、更高功率密度、更高工作溫度，從而實(shí)現(xiàn)更高能效、緊湊、更佳散熱性和更高可靠性的方案。

SiC二極管比硅二極管提供更強(qiáng)固的抗浪涌及雪崩能力。安森美半導(dǎo)體的汽車級1200 V SiC二極管的電流規(guī)格主要有10 A、20 A、40 A，采用TO247-3L、TO247-2L或D2pak封裝，汽車級650V SiC二極管有6 A、8 A、10 A、20 A、30 A、50 A、集成兩個獨(dú)立的10 A或兩個獨(dú)立的20 A等電流規(guī)格，提供TO247-3L、TO247-2L、TO220-2L、TO220-3L、D2pak或Dpak封裝。

從應(yīng)用角度看，對于給定的裸芯尺寸，SiC MOSFET比超結(jié)MOSFET或IGBT有更低的導(dǎo)通電阻，Rds-on對溫度的依賴比超結(jié)MOSFET少一半，提供更好的熱導(dǎo)率，適用于高溫環(huán)境，更高的開關(guān)速度支持高頻工作和減少無源器件數(shù)，體二極管的反向恢復(fù)幾乎為零(低結(jié)電容)，但Vf較高。SiC MOSFET可硬開關(guān)。適當(dāng)?shù)拈T極驅(qū)動選擇是個關(guān)鍵要求。關(guān)態(tài)下建議使用負(fù)電壓以防止橋拓?fù)渲械募纳鷮?dǎo)通(或擊穿)效應(yīng)。安森美半導(dǎo)體的汽車900V SiC MOSFET的門極驅(qū)動電平提供+15 V/-5 V的驅(qū)動電源，RDS(on)有20 mΩ、30 mΩ、60 mΩ和80 mΩ的規(guī)格，采用TO247-3L、D2pak7L封裝或裸芯;1200 V SiC MOSFET的門極驅(qū)動電平則提供+20 V/-5 V的驅(qū)動電源，RDS(on)有20 mΩ、40 mΩ和80 mΩ的規(guī)格，采用TO247-3L、D2pak7L封裝或裸芯。

高壓輔助電源方案

電動/混動汽車高壓輔助電源方案用于如電動增壓器、交流壓縮機(jī)、EPS、減搖、散熱風(fēng)扇、液壓泵、空調(diào)壓縮機(jī)和PTC加熱器等車輛子系統(tǒng)。推薦用安森美半導(dǎo)體的汽車高壓ASPM模塊，其優(yōu)勢有：集成度高、外形緊湊、超低熱阻(<0.37 K/W)、確保175°C的結(jié)溫、出色的強(qiáng)固性、超長的使用壽命、設(shè)計周期及裝配流程短、通過汽車認(rèn)證。

【如圖3所示，針對空調(diào)電動壓縮機(jī)，采用ASPM模塊的方案比分立方案更緊湊，且散熱性更好，并提供強(qiáng)大的隔離電壓，整體性價比也得以提升?！?/p>

【圖3：分立方案 vs. ASPM模塊方案用于電動/混動汽車空調(diào)電動壓縮機(jī)】

ASPM模塊采用的封裝技術(shù)是直接覆銅(DBC)。DBC基板有兩種材料可選：AI2O3和氮化鋁(AIN)。AIN的熱導(dǎo)率約為AI2O3的7倍，適用于更高功率的應(yīng)用場合。

安森美半導(dǎo)體提供650 V ASPM@27系列和1200 V ASPM@34系列，分別針對400 V以下的電池系統(tǒng)和電池電壓略高但低于800 V的場合。這些ASPM集成IGBT(具有優(yōu)化的門極驅(qū)動)、高速HVIC和豐富的保護(hù)特性，規(guī)格如表2所示。

【表2：650 V ASPM@27系列(上圖)和1200 V ASPM@34系列(下圖)】