汽車高壓輔助系統的新興趨勢及安森美對應的解決方案

隨著電動汽車的大力發展，對高壓輔助系統如電動壓縮機、電動渦輪增壓、電動冷卻風扇、電動泵等的需求越來越多。這些高壓執行系統在電動

/

混動汽車

（

以下簡稱“

xEV

”

）

中取代了傳統的內燃機皮帶驅動系統，執行著暖通空調、電池冷卻迴圈、主動懸掛、發動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

電源網路，為能驅動大功率負載，還需新增高壓電源網路

400 V

或

800 V

。有些

OEM

為了減小布線尺寸，還可能新增有

48 V

電源網路。

無論什麼樣的

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

，包括各類電壓和電流等級的功率模組和分立器件，易於擴充套件各種功率等級，從數百

W

到十幾千

W

，輔以門極驅動器、電流檢測運放、通用運放和比較器、反激控制器、

DCDC

、低壓降穩壓器

（

以下簡稱“

LDO

”

）

、理想二極體、

CAN/LIN

、電感式位置感測器、

E2PROM

、其它的小訊號分立器件等，覆蓋整個高壓輔助系統，一站式方案和服務滿足各種不同的設計需求。在整個高壓輔助系統的應用中，安森美產品的物料單

（BOM）

含量可以達到

10~15

美金左右，器件型別多達

20

多種。本文將回顧這些系統級應用，並介紹安森美對應的解決方案和產品及其優勢。

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輔助電機，以取代傳統的皮帶驅動模組。逆變器的功率及能效直接影響著系統級的效能和能效乃至

xEV

的續航里程。逆變器將高壓直流電轉換成

3

相交流電驅動電機，同時可以透過控制逆變器輸出的電壓、電流和頻率等來控制電機的速度、加速度和扭矩。一般用於驅動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，需要最最佳化逆變器模組的損耗及散熱。

此外，高壓輔助電源中還需包含有電壓、電流和溫度監測、及車載網路，同時需要考慮到高壓隔離。

圖

2

：汽車高壓輔助系統應用框圖

（

橙色代表安森美可提供的產品

）

選用安森美的方案，在車輛層面能達到的優勢包括：

·

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現更長的續航里程

·

ASPM

模組的尺寸相對分立方案要小很多，因此佔用較小的車輛空間

·

功率模組的熱阻相對分立方案也要更小，從而簡化系統的散熱設計，進一步減小整個系統的物理體積

汽車智慧功率模組

針對

400 V

和

800 V

系統，安森美分別有

650 V

和

1200 V

的汽車智慧功率模組

（

以下簡稱“

ASPM

”

）

，都符合

AQG324

車規，電氣上可以根據客戶的功率需求整合多個大電流的

IGBT

，佈局上非常緊湊以減小整個模組的寄生電感，還能內建緩衝電路以改善

EMI

特性，可以選擇合適的

Rg

最佳化

di/dt

和

dv/dt

，熱阻非常低，內含隔離層，能實現較高的功率密度，且整合度非常高，內建門極驅動器、續流二極體，並具有過流關斷、溫度監測、欠壓保護、故障輸出等保護功能。從整個系統來看，

ASPM

具有非常顯著的尺寸優勢，熱效能和電氣效能都優於分立方案，從整個系統成本來說，考慮到

PCB

、機械安裝、質量和效能成本，系統功率越高，使用

ASPM

模組會比分立器件更具成本優勢。

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。

V3

相對於

V2

，導通損耗和開關損耗都有所降低。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

的模組為實現大功率輸出，其覆銅板

（

以下簡稱“

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，涵蓋

25 A

、

35 A

和

50 A

的應用。同樣

50 A

的模組其

DBC

材料為

AlN

，結到外殼的熱阻非常低。

ASPM27

和

ASPM34

內部門極驅動器的源電流和灌電流能力分別為

2 A

和

4A

，控制頻率可達到

50 kHz

，內部整合的

IGBT

具有低導通損耗和開關損耗的特性，能夠為電機控制提供最佳化的

dv/dt

和

di/dt

。內部整合的續流二極體是軟恢復特性，具有較好的

EMI

效能。

1. ASPM

應用例項：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

，由於壓縮機尺寸越來越小，那麼要求電路板的尺寸也需較小，此外還要求散熱效能好、價效比高。對於

400 V

系統，可選用安森美的

ASPM27

，對於

800 V

系統，可選用安森美的

ASPM34

。

下面這兩個圖是

PCBA

採用三相分立方案和模組方案的尺寸對比，可以看到使用模組方案

PCBA

尺寸可減小

80%

。

圖

3

：電子壓縮機採用安森美的

ASPM

比採用分立方案顯著縮減尺寸

2. ASPM

應用例項：變速箱油泵轉向電動油泵，節省能耗

傳統的變速箱機械式油泵，其動力來源於發動機，只要發動機運轉，變速箱油泵就得全時執行，浪費能量。在

xEV

中切換成電動油泵後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，會造成低溫下啟動電流過大及啟動轉矩過大的問題。因此需要高壓電機驅動油泵，安森美的

650 V/50A ASPM27

模組能較好地契合此應用需求。

門極驅動器

1.

單通道

NCV57000

和

NCV57001

是全功能型的隔離型

IGBT

門極驅動器，包含有負壓驅動、

desat

檢測、軟關斷、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

門極驅動器，如

NCV57080

、

57090

、

57084

和

57085

，只包含有門極鉗位或負壓驅動或

desat

檢測等，還分別有窄體和寬體版本。

非隔離型的

IGBT

門極驅動器

NCV5700

和

NCV5702

是全功能型的，包含有負壓驅動、

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

門極驅動器。

2.

雙通道

對於

IGBT

，安森美有兩類雙通道的門極驅動器。其中

NCV57200

和

NCV57201

是半橋型的，只有高邊驅動是隔離的，

NCV57200

內建死區時間。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。

對於

MOSFET

的雙通道隔離門極驅動器，可以採用

NCV51561A/B

。對於

SiC MOSFET

的雙通道隔離門極驅動器，可以採用

NCV51561C/D

，具有更高的欠壓保護值。

模擬訊號鏈

安森美的模擬訊號鏈產品如通用運放、低功耗運放、精密運放、電流檢測運放和比較器廣泛用於汽車主動安全、自動駕駛、車身、動力總成、音訊娛樂和

LED

照明等應用，為汽車的所有電源和感測器訊號調節提供低功耗和高效能的方案。

其中，高邊電流檢測運放有

5

個系列，其中

NCV21x

系列是

26 V

共模產品，

NCV2167x

和

NCV21671

系列是

40 V

共模產品，

NCV7041

和

NCV703x

系列是

80 V

共模產品，採用零漂移結構，能實現非常高的精度，允許電路中選用盡可能小的取樣電阻，以降低取樣電阻的損耗。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間的變化，提高產品整個生命週期的效能。此外，還能降低取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，具有非常低的溫度係數，可以減小阻值隨溫度的變化，因此進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、非常寬的增益頻寬積、多通道、封裝小等特性。

對於低邊電流檢測，安森美提供需外接增益電阻的電流檢測運放，有高精度、高增益頻寬的產品，同時也提供了高性價比的產品。

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頻寬積。

對於低成本電流檢測運放有

NCV2009x

、

2008x

、

2006x

、

2023x

和

2007x

系列，其中

NCV2023x

系列的供電範圍較寬，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，可以從高壓側取電，也可以從低壓側取電，用於生成後級的門極驅動器供電電源、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範圍為

250 V~900 V

，在

48 V

系統中輸入電壓範圍為

24 V~54 V

，輸出電壓一般為

15 V

、

20 V

或

24 V

，輸出功耗範圍為

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現。

如安森美的

15 W

隔離輔助電源方案

SECO-HVDCDC1362-15W-GEVB

，輸入電壓範圍為

250 V~900 V

，輸出電壓為

15 V

，選用了初級端脈寬調製

（PWM）

控制器

NCV1362

作為反激拓撲的控制器，能提供恆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。整個方案物料較少，成本最最佳化。當輔助電源還需要驅動額外的負載時，該

15 W

方案還可以擴充套件到

40 W （SECO-HVDCDC1362-40W-GEVB）

。

2.

輔助電源——門極驅動器電源

當前級輔助電源設計好後，門極驅動器的供電電源可由前級輔助電源的輸出電壓產生，範圍一般為

6 V~24 V

。每路門極驅動器的驅動功率大約為

1。5 W

，對於驅動

SiC MOSFET

需要輸出

20 V

和

-5 V

，對於驅動

IGBT

需要輸出

15 V

和

-7。5 V

。門極驅動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

門極驅動器供電電源方案

SECO-LVDCDC3064-IGBT-GEVB

和

1。5 W

隔離型

SiC

門極驅動器供電電源方案輸入電壓範圍為

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。整個方案簡單穩定可靠，外圍器件數量少。

電感式位置感測

安森美的

NCV77320

電感式位置感測器方案，可以透過

USB

控制，進行靈活的程式設計和快速驗證，為安全攸關的應用提供所需的精確位置感測。

總結

xEV

的輔助系統逐漸取代了傳統皮帶傳動的機械應用。

xEV

高壓輔助模組要求跨功率層級的靈活性，同時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

、門極驅動器等，可開發出可擴充套件的系統，滿足從

12 V

到

800 V

的應用需求，這些方案具有高能效、高功率密度和高效能及成本優勢，輔以安森美的銷售和技術團隊支援，助力設計人員開發出同類最佳的設計。