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智慧功率模组用於汽车高压辅助马达负载应用
提升燃油经济性

【作者: Thomas Yim】2017年11月09日 星期四

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汽车法规的当前趋势是刺激对每英里产生更少二氧化碳的让车辆更经济的需求。车辆购置税政策目前支持低污染的车型,汽车制造商必须遵守新的法规,如欧盟的车队平均排放指令,惩罚不提供燃油经济性的汽车品牌。所有汽车的平均二氧化碳排放量不得超过130克/公里,而不遵守的制造商必须每售出一台汽车就支付过量排放费。到2021年CO2的限制将?少到95克/公里,CO2?排法规将提前不断加?。


汽车制造商为实现更高燃油能效的战略的重要一环,是由电动驱动取代传统由发动机驱动的主要子系统。这包括水泵、油泵、空调、涡轮增压器和动力转向,有效减少发动机的机械负荷,让更多的能量经由燃烧燃油释放,以驱动车辆。以电装置取代泵、风扇、压缩机等机械马达负载,可减少高达3%至5%的燃油消耗。


汽车行业期??确保最高效的电气系统更换,因为车辆的电能由电池供电,电池本身通过发动机驱动发马达充电。新的电气负载应不需要过多电力,在设计上也应尽量减少可避免的能源损耗,以最大化整体的燃油经济性。另一个关注的问题是越来越多的电动驱动系统对车辆线束大小与重量造成的影响,汽车制造商需要有效技术防止线束变得太大太沉重。


为电气系统的更换设计大功率马达驱动器,对汽车制造商在能效、物理尺寸和亮度方面的表现有重大影响。


利用现有的设计专知

汽车行业可以吸收以往在其他领域所获得的驱动设计经验。例如,多年来,高能效马达驱动的需求在家用电器市场极为重要。用来方便比较不同设备能效等级的产品标签,不仅驱使消费者把注意力放在能效,导向资讯充分的购买决策,也能减少二氧化碳总排放量,减少个人的帐单费用。


为达到最隹的能效等级,包括洗衣机、伺服驱动器、工业泵白家电和工业应用等大功率马达(0.5kW至10KW),正用节能可变速变频驱动器取代低成本简单的单速驱动。随着驱动器成本降低、功率半导体技术的进步和知识产权(比如磁场定向控制FOC韧体)的成熟,采用可变速驱动的电器已逐渐从高端设备过渡到主流产品范围。许多发达国家的屋主现在可以享有家电变速驱动带来的优势:较低的设备运行成本、更安静的运行、更灵活的使用模式。


安静高能效的马达驱动器对汽车行业是额外的吸引力。随着内燃机日益向电驱动模式和启停(微型混合)模式发展,传统发动机的杂讯正逐步从汽车驾驶座消失。由於驾驶舱更安静,电动机等其他机制也必须更小声,以确保最隹的终端用户体验。


此外,变速控制可调节油和冷却剂的流速,以满足发动机在宽范围工作条件的需要。如果发动机已高速运行,然後交通堵塞,要求发动机空转,同时传统水泵要慢下来。电子控制的变速泵可以利用编程,维持发动机内部的热条件同时以理想速率移动冷却液,也可以在发动机关闭後继续运行,以优化发动机的冷却曲线。


电源模组的整合

变频驱动比简单的定速驱动复杂。它们包含一个运行FOC演算法的控制器、用於驱动电流到马达相的功率电晶体桥所需的高边和低边闸极驱动器、在三相桥内达6个IGBT或MOSFET,以及保护电力设备与系统免於浪涌电压、短路电流、过温的保护电路等潜在破坏。



图1 : DBC基板实现经济和高效的热管理
图1 : DBC基板实现经济和高效的热管理

在如马达驱动等控制模组中更高的功能整合对制造商在未来汽车底盘增加所需额外电路至关重要。实际上,整合不仅有助节省空间,还可帮助降低成本,提高可靠性,加快新产品上市进程。有利的是,在家电行业中现有的马达驱动设计经验可以帮助实现这些要求。


家电市场的需求促进创建智慧功率模组(IPM),利用先进的制造和封装技术将高压、大功率电路与逻辑电路结合於同一元件。


IPM在关键闸极驱动器和保护电路的同一模组中整合了桥式高压矽电源,为马达驱动系统设计提供了几项优势。最大的优势是,客户可以享受直接覆铜(DBC)技术带来的极低Tj性能,简化功率级的设计。否则工程师将需自行配置逻辑和电源电路,并处理所有原型,以成功整合系统以及设计保护电路。由於这些任务繁杂,现成方案极具价值。


而且,单个模组中整合所有驱动器的功率级电路远比由分离元件组成的方案节省空间。该模组占位更小,通常会有一个较低的安装高度。此外,由於必须放置和连接的单个元件较少,整体可靠度增加。


满足汽车应用需求

安森美半导体的FAM65V05DF1汽车IPM智慧功率模组标志着新一代汽车认证的(AECQ100/101)整合功率模组的出现。该模组包含一个由6个功率开关组成的三相桥,每个功率开关都结合一个650V高能效场截止沟槽短路级*IGBT和一个具有软恢复特性和低反向恢复电流的续流二极体。由於使用高压汇流排以较小的横截面和低重量的电导体的低电流为电负荷配电的行业期待, IGBTs 650 V额定值支持达约200至400 V母线电压,提供足够的安全边线。



图2 : 短路级条件:Vdd=450V,Vcc=15V Tj=150?C
图2 : 短路级条件:Vdd=450V,Vcc=15V Tj=150?C

三个单个单通道高压IC(HVIC)控制高边IGBT的闸极,一个三路输出的低压IC(LVIC)控制低边IGBT的闸极,如图三所示。



图3 : 整合3个HVIC、3路LVIC和功率半导体到汽车IPM
图3 : 整合3个HVIC、3路LVIC和功率半导体到汽车IPM

FAM65V05DF1 中的LVIC和HVIC实施个别的欠电压锁定(UVLO)电路以保护IGBT,避免不足的闸极驱动电压工作。LVIC实施过流保护电路,提供软关断特性,利用衰减闸极电压保护IGBT免受潜在破坏性电压浪涌,而非突然关断元件。该模组的温度感测器能协调热保护,也整合於LVIC。此外,LVIC有故障输出,可用於启动系统等级保护以实现最隹可靠性。


汽车应用的模组热性能非常重要。峰值环境温度可能非常高,特别是模组附近或在发动机上,同时必须确保在保固期内或比保固期时间稍长的可靠度。尺寸和成本的限制也必须考虑。直接覆铜基板提供具成本效益和热能效的方案。汽车IPM中,IGBT和续流二极体直接连接到直接覆铜基板,确保了电源晶片的热量有效地抽取至封装边缘,在封装边缘可以附加散热器帮助散热。


把功率半导体、驱动器和保护电路整合到单个模组,在仅44x26mm的占位实现了一个完整的三相桥和驱动器。相比传统使用单个汽车认证的元件(分立IGBT+外部三相闸极驱动器等)实施的控制器,节省了30%的PCB空间。


总结

随着提高内燃机能效的重要性不断加强,高能效整合的高压电源模组是提供简洁、实惠、可靠的电气替代一般由发动机曲柄驱动的耗能机械驱动器的关键。这些模组在单元件中结合了功率开关、闸极驱动和逻辑电路(像是智慧功率模组),类似於目前一些最好的家用电器方案。场截止沟槽IGBT、STEALTH二极体、HVIC、LVIC和DBC技术是促成新一代汽车IPM的主成元素,以满足汽车行业对能效、可靠、成本和尺寸的要求。


(作者Thomas Yim为安森美半导体高级经理)


**刊头图(source: lifesafer.com)


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