针对混合电动汽车的功能电子化方案 – 混合电动汽车,电子化方案,工业控制


日益严格的能效及环保法规推动汽车功能电子化趋势的不断增强和混合电动汽车/电动汽车(HEV/EV)的日渐普及,这加大了对高能效和高性能的电源和功率半导体器件的需求。安森美半导体作为汽车功能电子化的领袖之一和全球第二大功率分立器件和模块半导体供应商,提供广泛的高能效和高可靠性的系统方案,并采用新型的宽禁带材料如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等进行新产品开发,用于汽车功能电子化和HEV/EV应用。 


HEV/EV重点应用及方案概览

 

HEV/EV的重点应用有:车载充电器、电池管理、牵引逆变器、辅助逆变器、48 V皮带启动发电机(BSG)和DC-DC转换器。

 

典型的HEV/EV高压应用框图如图1所示。交流电源通过车载充电器输出直流电源,由电池管理系统给高压电池充电,同时,高压电池为主逆变器、辅助高压逆变器及高压PTC加热器提供电源,除了以上高压负载以外,HEV/EV汽车还有很多低压负载,需要高压转低压 (HV-LV) 的DC-DC提供电源。

 

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图1:典型的HEV/EV高压应用框图

 

对于车载充电器,可采用沟槽IGBT分立器件及模块、超级结MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模块作为PFC升压开关及DC-DC全桥,同时采用整流器作为输入输出整流桥及PFC升压应用。对于主逆变器,可采用IGBT裸片、SiC MOSFET裸片、分立器件及模块。对于HV-LV DC-DC,可采用沟槽IGBT分立器件及模块、超级结MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模块作为全桥,及采用整流器作为输出整流桥。对于辅助逆变器,可采用沟槽IGBT分立器件及模块。对于高压PTC加热器,可采用沟槽和平面IGBT分立器件。对于48 V BSG,可采用中压MOSFET模块。

 

汽车IGBT分立器件

 

安森美半导体的IGBT技术处于行业领先地位,已从最早的穿通型(PT)、非穿通型(NPT)发展到了现在的场截止(FS)平面及沟槽工艺。FS IGBT的特性及性能为:低导通和开关损耗;正温度系数便于并联运行;最大结温 : Tj=175degC;紧密的参数分布;大的安全工作区域(SOA)。目前安森美半导体的第三代场截止(FSIII)工艺的产品性能已接近行业顶尖水平,并将于2018年开始研发FSIV工艺。

 

安森美半导体目前提供的汽车级分立IGBT的电压范围主要是600 V至650 V、电流范围从20 A至160 A,同时提供D2PAK、TO247等多种封装选择。

 

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表1:安森美半导体用于HEV的分立IGBT阵容

 

除了传统的 分立器件和模块,安森美半导体同时提供汽车级裸片,目前公司已量产的IGBT和快恢复二极管(FRD)裸片主要是650 V产品,电流包含160 A、200 A和300 A,同时积极研发750 V和1200 V IGBT和FRD裸片。

 

安森美半导体提供集成电流检测及温度检测的IGBT裸片。电流检测功能通过测量一个并联的小IGBT的电流,然后乘以一个已知的比例因子来实现,适用于过流、芯片组算法来提高整个温度范围内的电流检测精度。温度检测功能通过测量一串多晶硅二极管的正向电压VF来实现,VF与温度线性相关,用作硅结的精确的温度传感器。
 

汽车高压整流器

 

根据不同的应用,整流器可选择更低导通损耗或更低开关损耗的产品,各类产品的主要特点及应用如图2所示。

 

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