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汽車系統中的電力電子技術

2012年08月01日  | John Hargenrader, Ikgyoo Song, Gary Wagner

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作者:John Hargenrader、Ikgyoo Song、Gary Wagner, 快捷半導體汽車電子部門

汽車系統,諸如引擎控制、車身控制、照明以及車輛動力學等經過了數年的發展,改善了駕駛性能、舒適程度和燃油的經濟性。1997年,平均每輛車中所採用的電子產品大約為110美元。到2001年,這一數字已增加到1800美元,預計到2015年它將達到車輛價值的30%。汽車系統中所採用的類比和功率管理功能愈來愈多,為了回應此一趨勢,快捷半導體將不斷地開發出創新型的產品,以滿足市場的需求。

歷史回顧

汽車中使用電子產品的時間可追溯到20世紀初,當時廠商以電動啟動器來取代手搖曲柄(hand crank)。到1960年代,隨著固態電子產品的出現,汽車電子開始盛行起來。現今,我們觀察到有幾股趨勢正在推動著汽車市場對電子產品的需求,尤其是對功率半導體元件的需求。這些趨勢包含:

(1)乘客對於舒適性和便利性功能的顯著需求,例如:座椅加熱和冷卻,自動座椅定位,先進的照明功能以及多區的暖通空調(HVAC)。這些系統對電力提供和電源管理的需求明顯地大幅增加。快捷半導體的整合式高側開關等產品具有高效控制和管理上述功率負載的功能。

(2) 先進的動力傳動控制系統提高了燃油經濟性,減少了車輛排放的廢氣。這些系統必須更精確地控制燃燒過程,連續且不間斷地提供狀態檢查,同時需要使用中的電力提供和電源管理,及維持正常運作所需的電力和類比控制功能。快捷半導體的40V和60V PowerTrenchR MOSFET元件,高側開關以及智慧點火產品能夠滿足這些要求。

(3) 越來越多原本採用機械式的動力轉向(power steering)等成熟的輔助系統,轉而採用電子式設計。隨著發展,這些系統要求更大的電流密度和更低的功耗。快捷半導體的30/40V MOSFET和汽車功率模組(APM)技術是提供這些應用所需的高效率和高功率密度解決方案的基礎。

(4) 替代性動力傳動技術,如純電動和油電混合推進系統等,需要大幅地提升汽車的電力處理能力,因而這些替代技術就需要能夠處理1到40kW的DC/DC轉換器等新型汽車電子產品。根據車輛的結構,需要使用整合式啟動發電機(Integrated Starter Generator, ISG)和牽引馬達逆變器(traction motor inverter)來處理5至120W或更高功率。

快捷半導體的PowerTrench MOSFET、場截止IGBT(field-stop IGBT)、智慧開關和閘極驅動器等通過汽車產品認證的電力電子產品,可以以獨立的離散元件或先進的模組形式供貨,為這些先進系統提供了一具有成本效益的解決方案。

使用快捷半導體智慧功率元件和電力技術的系統

A. 汽車照明

為了處理系統性和隨機性的故障,原本是機械式的開關和繼電器正逐漸被離散的MOSFET、智能MOSFET以及IGBT等電子元件所取代,以控制車燈、柴油車預熱塞(glow plug)系統、點火系統以及馬達。智慧功率元件(SPD)可以在消除機械雜訊和燃弧(arching)_的同時提高品質和可靠性。

圖1所示的智慧功率元件是一款N溝道功率場效應電晶體(FET),具有一個內部電源、電流受控輸入、帶負載電流感測的診斷回饋功能以及嵌入式保護功能。功率級(power stage)、控制、驅動以及保護電路是採用晶片堆疊(chip-on-chip)和晶片併排(chip-by-chip)技術整合而成的。

圖 1
圖1智能MOSFET的方塊圖。



SPD的主要目標是取代汽車繼電器和熔斷器(fuse)。藉由智慧功率開關,而可以將開關和保護功能結合在單一晶片中。

圖 2
圖2. 智慧點火系統。



因此,從整體的成本角度來看,SPD可以提供較繼電器和熔斷器(fuse)更便宜的解決方案。除了保護功能外,SPD具有減少線束(wiring harness),加入診斷功能和實現脈寬調變的更多優勢,所以,SPD不僅能夠保護自身,還能保護與其相連的負載和鄰近的元件。

圖 3
圖3. 車燈控制系統。



依照應用系統的需求,可以使用帶有一些外部元件的應用電路來維持系統正確地運作。

B.離散式功率元件(DC-DC轉換器)

目前,我們環境所面臨到的一項最具有急迫性的問題,就是作為運輸主要能源之一的碳氫化合物燃燒所產生的污染。混合動力車(HEV)和電動車(EV)正逐漸成為“綠色”運輸的替代性動力傳動系統。這些車輛不僅率涉到牽引部件,而且推動了電能轉換的新應用。混合動力車輛內的一種關鍵模組便是用於電氣負載輔助電源的DC/DC轉換器,因為HEV和EV仍然使用頭/尾燈、加熱風扇以及音訊系統等輔助負載。該轉換器必須具有處理從高電壓轉換至12V電壓的能力。

圖 4
圖4. HEV/EV電氣負載需要能量轉換。



因此,應用工程師們將注意力集中在HEV和EV系統中的MOSFET和IGBT等高電壓功率元件上。有幾種方法可用來控制從高電壓到低電壓的能量轉換。通常使用高電壓和低電壓之間隔離的全橋和相移(phase shift)技術,這類應用中的輔助功率轉換器代表著電池組對高壓直流匯流排的高效管理,根據電動馬達的功率不同,範圍在200V至800V之間。

此外,系統的效率是一個關鍵特性,並且是設計選擇的重要參數。轉換器的設計趨勢是在寬負載條件範圍內達到90%或者更高的效率。

轉換器的可靠性是十分重要的,因為故障會引起12V電池的放電,從而造成所有靠電池電力驅動的附件的故障。另一方面,也不能忽略效率和電磁相容(EMC)問題。因此,主動式箝位等軟開關和能量回收技術非常有益。

C. 汽車功率模組(APM)

高壓(600 VDC)和低壓(12-24VDC)系統都可以使用APM。快捷半導體為汽車市場提供用於高壓和低壓系統的APM元件,它們幾乎都用來驅動三相馬達和致動器(actuators)。在兩種電壓範圍內,APM都採用直接鍵合銅(DBC)技術來實現熱傳導。

低壓(LV)意味著以更大的電流來驅動通常與該類型解決方案相關聯的較大負載。低壓應用使用30V至60V N溝道MOSFET。動力轉向和電驅動液壓轉向是兩種最普遍的LV-APM解決方案。峰值相位電流能夠達到100A以上。這需要大的銅質內部結構,用於裸晶焊盤(die paddle)和電流通路以及多個大電流的打線接合(high-current wire bond)。正溫度係數(PTC)元件、被動EMC元件、分流器都達到了更高的集成度,也改善了可靠性。動力轉向中使用APM是實現機電一體化封裝和低系統成本的關鍵。在靜態停車時,相較於液壓系統,降低寄生引擎負載可以縮小車輛引擎的尺寸,以便讓車子更小。低壓模組不僅應用於EV/HEV車輛,也應用在傳統的內燃式引擎汽車上。

高壓應用主要包括由高電壓軌或主電池組供電的泵和風扇。典型的峰值相位電流<20A。此一市場中的模組化解決方案與許多工業市場中的應用相似,並使用類似的功率模組,IGBT和MOSFET解決方案均可使用。典型的模組有高壓閘極驅動器,以及在共橋回路處用於診斷的某種程度之電流感測。高壓結構必須要考慮到引腳間隙的要求。在熱管理方面,產品分為帶或不帶增強熱傳導的類型。模組化解決方案是小型集成解決方案的關鍵,功率處理元件位於致動器附近,甚至在變速箱等極端的環境中工作。高壓模組幾乎都用於EV/HEV車輛中。

詳細的應用範例

A. 汽車前燈應用

車前燈是汽車的最重要部件之一。車燈應用中電池的額定電壓(nominal voltage)是13.2V。但是,電池的電壓位準隨著駕駛條件而變化。高輸入電壓(13.2V ~ 16V)可能會影響到車前燈的耐用性。如圖5所示,電池電壓升高6%,車燈的使用壽命減少50%。

圖 5
圖5. 各種電壓下的車燈壽命曲線。



方程式 1
方程式 1



其中,Lamplife(車燈壽命)為小時數, VNOM =額定電壓,, VBAT =電池電壓

此外,在打開車前燈時,大的湧入電流會縮短車燈的使用壽命,因為燈泡燈絲的熱阻低。

例如:55/60W燈泡在13.2V下的使用壽命是1000小時。使用如下的方程式1:

方程式 2
方程式 2



14V下燈泡的壽命時間約為465小時,因而,將PWM控制應用於帶有智慧MOSFET的燈泡,可以延長燈泡的使用壽命。

為了延長車前燈的使用壽命,在電池電壓高於額定電壓13.2V時,使用限制電流的方式來實現功率調節。使用PWM來控制輸入電壓。方程式3使用負載比(duty ratio)定義了RMS電壓:

方程式 3
方程式 3



方程式 4
方程式 4



此處,D是負載比,VBAT是電池電壓。

當電池電壓高於額定電壓時,確定了PWM負載比,如圖6所示。

圖 6
圖6. 不同電壓下的穩定功率消耗。



方程式 5
方程式 5



其中:

VNOM = 額定電壓

VRMS = RMS電壓

VBAT = 電池電壓

RLAMP = 燈泡電阻

這種計算負載比的方法是採用PWM平方或者電壓的二次式(square PWM or quadratic voltage regulation)使用軟啟動方式來限制起動電流(run-up current)。

在一種測試應用中,使用PWM在100Hz頻率下實現功率調變。圖5顯示電壓處於額定電壓附近時功率沒有上升,從而保護了燈泡。

圖 7
圖7. 不受限與受限制的啟動電流比較。



燈使用智慧功率元件和PWM技術,實現以下功能:

(1) 在安裝位置減小熔斷器和熔斷器座的尺寸

(2) 防止負載線出現超載或短路

(3) 減少電纜和連接器

(4) 改善燈的故障診斷,檢查它們的功率額定值是否正確

(5) 通過功率調整並使用PWM對燈進行預熱,延長使用壽命

(6) 通過啟動其它具有相同亮度且未在使用中的燈來實現故障管理。

(7) 通過優化開關邊緣(switching edges)和錯時開關(time-staggered switching)方式減小電磁輻射。

在車前燈開啟的初期階段,由於燈泡燈絲的熱阻低,會出現大的湧入電流。為了降低湧入電流,可以使用智慧功率元件來實現軟啟動。

圖7(a)所示為直流電源下燈泡的典型起動電流(run-up current)。峰值電流達到穩態電流的10到14倍,持續時間為數毫秒。在250ms到500ms後,啟動過程結束。理論上,由於10倍左右的湧入電流縮短了燈泡的壽命。因此,軟啟動過程應達到500ms,以延長燈的壽命,如圖7(b)所示。

B. 用於DC-DC應用的高壓 離散式解決方案

在現今的HEV和EV中,高壓電池組為電氣牽引系統提供行駛所需的能量。普通的12V系統仍然存在,為平常的汽車負載(為頭/尾燈、加熱風扇以及音訊系統等所有電氣負載供電的輔助電池)提供能量,而高壓匯流排則為牽引逆變器和馬達供電。

如下所列的情況,需要使用汽車DC-DC轉換器。建議DC/DC轉換器應具有以下的關鍵功能:

(1) 一個輸入的低壓端額定電壓為12V,在充電和放電過程中在9V到16V之間變化。
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(2) 根據使用者情況,額定高側電壓可以從144V變化到288V或更高。

(3) 額定充電和放電功率為1.5kW。

(4) 開關頻率可以從50kHz變到70kHz。

(5) 由於安全原因,高壓端和低壓端之間應有電隔離。在這種情況下,使用高頻變壓器。

(6) 工作溫度在-40°C至85°C之間

(7) 保固期為10年或者150000Km。

(8) 輸出電流在80A至150A左右。

圖8所示為DC/DC轉換器示意圖。它由一個全橋(Q1-Q4)通過一個高頻變壓器與一個帶有升壓電感的推挽級(push-pull stage)連接而成。在升壓模式下,可用兩個PWM信號來控制元件Q5和Q6。

圖 8
圖8. 全橋同步DC/DC轉換器。



如圖9所示,有幾種實現DC/DC轉換的方法。全橋方法常常用來降低車輛的重量並提高效率。

圖 9
圖9. DC/DC轉換器與輸出功率的比較。



在這種運作過程中,DC/DC轉換器當作一種降壓轉換器使用,將電壓從200V或者更高,降低至12V。原則上不能驅動低壓端的開關。它們的二極體只作為電壓的整流級。為了提高整流器的效率,將以MOSFET取代二極體。

圖 10
圖10. 相移定時圖。



而在高壓端,相移調變能夠實現MOSFET的零谷底開關(Zero Valley Switching, ZVS)運作,幾乎消除了導通損耗。在相移調變中,具有相同引腳的兩個元件由兩個具有50%負載比和正確死區時間(dead-time)設置的互補信號驅動。在兩個引腳之間,通過回饋環路將信號相移一個角度。該方法能夠讓變壓器均衡地使用,防止鐵芯飽和。相移造成的交疊為降壓轉換器設定了負載比,以便調整輸出電壓。圖10為所描述的控制信號。

圖 11
圖11. 相移調變中的零谷底開關(ZVS)運作。



圖11所示為如何通過正確設定驅動全橋逆變器的兩個互補對的死區時間,讓MOSFET的導通發生在零電壓點。這是因為當先前處於導通狀態的MOSFET(例如圖11中的Q3)關斷時,由於死區時間的緣故,Q5仍然處於關斷,半橋的中點處於懸浮並且開始出現一種自然振盪,這是由於在半橋的中點,變壓器的洩漏電感和寄生電容構成了諧振電路。

圖 12
圖12. 同步整流和相移調變。



這引發VDS4以固定頻率振盪,通過正確設定死區時間,Q4可以在零電壓處導通。

最後,為了進一步提高轉換器效率,採用圖12所示的方式來控制Q5和Q6,在其飛輪二極體(Free-Wheeling Diode)應該導通時減小電壓降。

C. 汽車功率模組

用於大電流馬達應用的典型APM使用了六個低RDSON MOSFET,採用三個半橋方式佈局,共用一個VBAT供電。可選擇的EMC元件將抑制導通輻射。典型的調變頻率為10kHz到15kHz。APM於-40°C至125°C工作。內部的熱敏電阻可以在極端溫度下對輸出功率進行溫和的關斷(foldback)。電流分流器的公共返回位置可以實現電流的同步解調,將其與相位操作進行關聯。這種拓撲適用於動力轉向等靜態轉矩控制(torque control),或者是電動液壓助力轉向的旋轉泵等連續的速度和轉矩控制。

圖 13
圖13. 簡化的EPS系統。



D. 智能IGBT點火器

廣為使用的汽車點火結構是每個汽缸使用一個線圈(“鉛筆線圈”),直接安裝在火花塞的上方,以省去點火引線。IGBT和控制裝置常常位於單獨的電子模組中,通常為引擎或者動力傳動控制器。現今,某些線圈包含IGBT,從電子模組中消除了高壓。然而,為了控制線圈電流,必須為控制器提供一個電流回饋信號。這樣就需要額外的導線。

為線圈內的IGBT組件添加控制IC,可以在不增加導線的情況下提供其它功能。使用複雜的導線架(leadfram)可以將被動元件與控制晶片和IGBT封裝在一起。

圖 14
圖14. 智能點火(一個線圈)。



注意,在圖14所示的智能鉛筆線圈連接器(smart pencil coil connector)上,VBAT、輸入以及地線是僅有的連接。這款控制IC包含自主功能:

(1) 限流,實現最長駐留時間

(2) 過壓保護

(3) 超溫保護

(4) 輸入信號完整性

(5) 抗瞬變能力

(6) 消除火花的軟關斷

針對高壓開路電路,IGBT典型額定值在300mJ至500mJ。使用高性能線圈,提供的火花能量目標值可以達到70mJ以上,額定線圈電流為10A。為達到此一目標,控制和保護功能必須處理從冷開機到高rpm工作的全範圍運作狀況。

除此之外還可以實現其它診斷功能:

(1) 初級端短路/斷路

(2) 次級端短路/火花能量低

(3) 高壓斷路

未來的挑戰

隨著電子產品在汽車中的應用持續增加,高壓和低壓應用都面臨到類似的挑戰。高壓產品面臨的挑戰包括:

(1) 隔離和增加熱壽命方面的封裝改進

(2) 提高IGBT性能,降低損耗

(3) 處理負載的更高相位電流的能力(大於30A),例如:壓縮機驅動

(4) 增加自保護功能(散熱、峰值相位電流等)

(5) 改善電磁相容性的性能

低壓產品的挑戰有:

(1) 改善MOSFET技術,降低矽元件成本

(2) 整合耐用的閘極驅動和智慧電磁相容控制

(3) 整合電池反向保護功能

(4) 降低散熱方面的材料成本

結論

功率半導體是現今整合電子系統以期提高功能性、改善車輛性能以及提高可靠性的主要推動力量。

智慧功率元件已經成為配電系統中的核心建構模組。車輛中的獨立供電電路數量已經從過去數十年間的數十個增加到現今複雜車輛中的50個以上。照明和便利性功能還將進一步發展,以滿足用戶的要求。許多使用極限控制(limited based control)的關鍵任務(mission-critical)系統現在使用變數控制,因此智能電源管理特性的提升是必不可少的。更精確的負載回饋、診斷、故障安全功能、提高效率的精密控制、電磁相容性以及使用者介面簡化等均有著強大的市場需求。為了達到未來的性能目標,需要改進控制晶片和獨特的IGBT/MOSFET功率元件,同時提升散熱優化和環境穩定性的封裝技術。




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