电动汽车系统中的电力电子技术

1、汽车系统中的电力电子技术汽车系貌，诸如引擎控闕、车身控制、照明以及车辆动力学等经过了数年的发展，改善了驾 驶性能、舒适样度和熔油的经济性。1997年，平车中所采用的电子产品大约为110 美元。到2001年，fi-8字巳JSJD到1800美元,预廿到2015年它將这到车辆价值的30%。 汽车系统中所采用的模fflfoii率管理功能恵来愈多，为了响应此一趙势，快捷半导体将不断 地开发出创新型的产品，以满足市场的需求。历史回原汽车中便用电子严品的时间可追洲到20世纪初，当时商以电动启朋器来取代手監曲柄 (hand crank ) o到1960年代,葩着固态电子产品的出现,汽车电子开始SH亍起来。现今

2、, 我II】规察到有几股趋势正在推动着汽车市场对电子产品的需求，尤具是对功率半导体组件的 需求。迪些趋势包含：(1) 乘客对于鈿适性和便科性功能的显菁需求，例如：座椅加热和紗,自动座椅定位, 先进的照明助能以及多区的暖通空iS(HVAC)。这些系貌对电力提供和电源管理的需求明显地 大幅熾加。快捷半导II的整合式高側开关等严品具有高效腔制和管理上述功率负裁的劝能。(2) 先进的动力传动控闕系鋭提高了滋曲经济11,减少了车轴排歆的废气。逹些系统必须 更精确地控制燃烧过样，连镇目不间断地提供状态检查，同时需要便用屮的电力提供和电滩 管理,及维持正常运作所需的电力和模抵技制助能。快捷半导体的40V f

3、ll 60VPowerTrenchR MOSFET组件,高側开关以及智能点火产品能崂满足趟些要求。(3) 8来前多原本采用机植沆的动力转向(power steering )等成熟的辅助系统,转而采用 电子衣设计。I#着发展，迪些系貌要求更大的电潦密度和更低的«tto快捷半导It的30/40V MOSFET和汽车«J率模挟(APM)技术是提供迪些应用所需的高效率和高助率密度解决方案的 £«0(4) g代性动力传动技术，如纯电动和油电混合掘进系貌等，需要大帽地提升汽车的电力 处理能力，因而这些替代技术就需要能協他理1到40kW的DC/DC转换器等新里汽车电子

4、产 品。根据车辆的结构，需要使用整合式启动发电机(Integrated Starter Generator, ISG)和牵引马 迖逆变器(tractionmotor inverter)来处理5至120W或更高功率。快捷半导体的PowerTrench MOSFET、场藪止IGBT(field-stop IGBT)、智急开关和用楡驱动器等 通过汽车产品认证的电力电子严品，可U11»立的离散组杵或先进的模快形衣供U,为迪些 先JS系统提供了一个具有成本效益的解决方案。使用快捷半导体智能功率组件和电力技术的系竦A. 汽车廉明为了他理系统性和葩机障，原本是机械直的开关和罐电器正逐鬲被离做的MO

5、SFET. 智能MOSFET以及IGBT等电子组件所取代，U控制车灯、柴油车預热£ (glow plug)系貌、点 火系毓以5马达。智能功率组件(SPD)可以在消除机核噪声和燃»(arching)_的同时提畐质fi 和可靠性。图1所示的習能功率组件是一款N沟道功率场效应晶体管(FET),具有一个内部电澹、电渝 受技输人、帯负我电逍感測的诊斷回彊助能以及嵌人衣保护功能。助率级(power stage). 6 制、驱劝以及保护电路是采用茹片堆枝(chip-on-chip)和茜片并(chip-by-chip)技术整合而成 的。图1曾能MOSFET的方挟图。SPD的壬要目标是取代汽

6、车娠电器和烟断器(fuse)。藉由SBJJ率开关，而可以將开关相保 护功能结台在单一茜片中。图2智能点火系竦。因此，从整U的成本角厦来看，SPD可以提供较地电器器(fuse)更便宜的解决方案。 除了保护功能外,SPD具有械少线束(wiring harness), DO人诊断功能和实现脉宽调变的更乡 优势，WIL spd不仪能筋保护自身，连能保护与貝松连的负我和9近的组件。图3.车灯控制系境。依照应用系统的需求，可以使用带有一些外部组件的应用电路来维持系説正确地运作。B. 功率组件(DC-DC »换器)目前，我ii环境所面陨到的一顶最具有急迪性的冋題，就是作为运输主要能源之一的碳氢化

7、合楊燃烧所产生的舀染。混合朋力车(HEV)fll电动车(EV)正逐甫成为“绿色”运输的替代性动 力传动系统。迪些车辆不仅率涉到牵引部件，而目推动了电能转换的新应用。視合动力车辆 内的一I关蹩模挟便是用于电气负我埔助电澡的DC/DC转換器,因为HEV和EV的然使用头 /尾廿、加热风同以及音頑系统等埔助负我。该转換器必損具有处9UH电压转換至12V电 压的能力。图4. HEV/EV电气负裁需要能量转换。因此，应用工程师门搭注意力集中在HEV和EV系统中ft MOSFET ff IGBT等高电压功率组件 上。有几神方法可用来控制从高电压到低电压的能量转换。通常便用高电圧和低电压之间隔 离的全桥柯HI

8、 f?(Phase shift)技术，迪类应用中的tf ID) ft率转换器代表看电池组对高压直誓总 线的高效管理,根摒电动马这的功率不同,X围在200V至800V 2 Ho此外，系蔬的效率是一彳、关赴特性，并且是设廿选择的車要参数。转换器的设it茵势是在宽 负裁条件X围内达到90%或者更高的效率。转换器的可靠11是十分車要的，因为故障会引起12V电泡的笊电，从而造成所有靠电池电 力驱动的附件的故障。另一方面，也不能忽昭效率和电腕兼容(EMC)冋題。因此，主iUSIO 位等軟开关和能量回收枝术非常有益。C. 倉车功率模块(APM)高压(600 VDOflffi压(12-24VDC)系鋭聞可以便

9、用APM。快捷半导I4力汽车市场提供用于高 压柯低压系躱的APM组件,它|几乎都用来驱动三相马这和致动器(actuators)0在两种电圧 X围内，APM訓采用lg»合樹(DBC)技术来实现热传导。低压(LV)g味着£1更大的电说来驰別通常与该类型解决方案相关尿的较大负我。低压应用便 用30V至60V N沟道MOSFETo动力转向和电駆动液压转向是BW®普遍的LV-APM解决方 案。峰值刑位电逍能够达到100AH±og需娶大的刑质内部结构，用于裸品焊盘(die paddle) 和电流通路以及多个大电济的扌线接&(high-currentwire

10、bond)0正温度系数(PTC)组件、被动 EMC组件、分说器那这到了更畐的集成度，也改善了可靠性。动力转向中使用APM是实现 机电一体化計装和低系就成本的关猊。在郦态停车时，1较于液压系统，障低寄生引擎负我 可£1缩小车辆引擎的尺寸，以便让车子更小。低压模块不仅应用于EV/HEV车辆，也应用在 传统的内SS5I擎汽车上。高压应用主要色括由高电压珈或壬电池组供电的泵和风册。奧塑的峰值相位电说20A。此 一市场中的模块化解决方案与许多工业市场中的应用HH1,并便用类似的功率模块，IGBT 和MOSFET解决方案均可使用。典型的模挟有高圧闸根驱朋器，以及在共桥風路处用于诊斷 的某种棺度之

11、电流感測。高压结肌须要考唱到引册间除的要求。在热管用方面，严品分为 带或不帝增强热传导的类型。模块化解决方案是小型集成解决方案的关», A率处理组件位 于致动器附近，甚至在变速箱等根端的坏境中工作。高压模块几乎邮用于EV/HEV车辆中。 体细的应用X巒A. 肯车M*J®用车甫灯是汽车的最車要部件之一。车灯应用中电池的51定电压(nominal voltage)是13.2V。ffl 是，电沦的电压位旌随着驾製条件而变化。髙输入电压(13.2V-16V)可能会影响到车南灯的 耐用11。咖图5所示，电也电压升高6%,车灯的使用寿命减少50%。图5.各种电压下的车炸寿金曲找。Lam

12、plifeVQM = Lamplife方程式1其中,Lamplife(车灯寿命)为小时数.VNOM =额定电压,VBAT =电泡电压此外，在打开车前灯时，大的涌人电滾会编対车炸的便用寿金，因为灯泡廿丝的热朋低。IO： 55/60W fl泡在13.2V下的便用寿命是1000小时。便用如下的方8S 1:卩32严1 OOOhrs 3.2 = Lamplife方程式214V T tj泡的寿命时同约为465小时，因而,SPWM控制应用于带有智能MOSFET的灯泡, 可以延长灯泡的使用寿命。为了 54长车前灯的便用寿命，在电也电压高于额定电压13.2V时，便用限制电逍的方貳来实现功率调节。使用PWM来控制

13、输人电压。方程沈3便用负数比(duty ratio)定义了 RMS电压:VRMS = JD X VbatVrms、Vbat )方程it 3100% = D (Duty_Ratio)方程式4此处，D是负ftlt, VBAT是电也电压。当电池电压高于额定电压时，WiTPWM负我比，如图6所示。图6.不间电压下的梯定功率消耗。100% = D (Duty_Ratio)钿方f?a 5其中:VN0M=額定电压VRMS = RMS 电压VBAT=电也电压RLAMP= tj泡电阻这种廿算负我比的方法是采用PWM平方或者电压的二次氏(square PWM or quadraticvoltage regulat

14、ion )便用软启劝方式来限制起劝电渝(run-upcurrent)。在一种測试应用中，便用PWM在100Hz颐率下实现助率期变。图5显示电压佻于额定电圧 附近时助率设有上升，从而尿护了灯泡。图7.不受限与受限制的启动电浦比较。灯便用智能功率组件ft PWM技术，实JSHTJA能：(1) 在安装宦置驗小烟斷器和烟断器用的尺寸(2) 師止负我线岀现超我或超路(3) 减少电缆和连接器(4) 改善灯的故障诊斷，检査宅们的I力率额定値是否正确(5) 通过血率嗚整并便用PWM对OffllTtS热，址长使用寿命(6) 通过启动貝它具有也间亮度目未在便用中的灯来实现故障管理。(7 )通过优化开关边缘(swi

15、tching edges)利錯时开关(time-staggered switching)方it祓小电陋 辐射。在车前灯开启的初期阶段，由于灯泡灯丝的热Pflltt,会出现大的涌人电逍。力了降低涌人电 浹，可以便用習能助率组件来实观軟启动。图7(a)所示为宜谏电STtJ泡的典塑起动电S (run-up current)o峰值电说达到稳态电谏的10 fl 14倍，持续时间为数毫杪。在250ms 3 500ms §,启动过程结東。理论上，由于10倍 左右的涌人电说缩短了灯泡的寿命。因此，联启11 f?® Ji 3 500ms,以址长灯的寿命，如 图7(b)所示。B. 用于DC-D

16、C ®用的髙压离散式解决方案在现今的HEV和EV屮，高压电池组为电气牵引系説規供行驶所需的能量。普通的12V系筑 們然存在，为平常的汽车负我(力头/尾灯、加热风国以及音颍糸统等所有电气负我供电的埔 助电池)提供能量，而高压思线则为牵引逆变器和耳达供电。如下所列的情况，需要使用汽车DC-DC转换器。建K DC/DC转換器应具有以下的关建功能:(1) 一个输人的低压諧额定电压为12V,在充电和笊电过程中在9V到16V之冋变化。(2) 根据便用者情况，额定高側电压DI1U144 V变化到288V或更畐。(3) 額定充电和放电功率为1.5kW0(4) 开关频率可以U 50kHz变到70kHz

17、。(5) 由于安全原因，高压SftfK压端之间应有电隔离。在这种怖况下，便用高航变圧器。.可修编.(6)工作温度在-40T至85°C 2间(7)保固期为10年或者150000Kmo(8)输出电流在80A至150A左右。图8所示力DC/DC转换器示意图。它由一 f全桥(Q1-Q4)通过一个高顾变压器与一个帯有升 压电感的推挽级(push-pullstage)连接而成。在升压模式下,可用两个PWM fg号来控制组件 Q5 和 Q60如图9所示，有几种实现DC/DC转换的方法。全桥方法常常用来降低车俯的車量并提高效 率。100IkPower (W)'丈牛喀网图9. DC/DC转换器

18、与输出功率的比较。在这种运作过桦中，DC/DC转换器当作一种轉压转换器便用，為电压11 200V或者更高，降 低至12V。原剧上不能驰动低压端的开关。它们的二板管只作为电压的整说圾。为了提高整 這器的效率，将以MOSFET取代二极管。!<P!10.相移定时So11.相移调变中的零谷麻开关（ZVS）而在高压端，相務调变能够实观MOSFET的零谷底开关（Zero Valley Switching, ZVS）运作，几 乎消除了导通损耗。在伯杨過变中，具有H）同引瞄的两个组件由两个具有50%负我比和正 确死区WfBj （dead-time）设置的互补信号驱动。在两个引脚之间，通过回彊坏路将信号H

19、I移一 个角度。该方沫能協it变压器均働地便用，師止铁芯饱和。H!籽造成的交迭为降压转旗器设 定了负Sit, W便调整输出电压。图10为所描述的控制信号。图11所示为如何通过正确设定驱劝全桥逆变器的两个互补对的无区时间，it MOSFET的导通发生在零电压点。迪是因为当先前处干导通状态的MOSFET（例如图11中的Q3）关斷时, 由干死区时间的缘故，05們然处干关断，半柿的中戌处干悬浮并且开始出现一种自然振蒲, 这是由于在半桥的中点，变压器的泄漏电感和寄生电容枸成了谐振电路。QIQ3Q2Q4Q6Q5!<p!心牛喀网S 12.同步整浹和相務调变。这引发V DS4 W 定额率振蒲，通过正确设

20、定死区时冋，Q4可以在零电压佻导通。最后，为了进一步提高转换器效率，采用图12两示的方衣来腔制Q5和Q6,在貝飞轮二枚 管(Free-Wheeling Diode )应復导通时減爪电压降。C. 肯车助率模块用于大电浹马这应用的典里APM使用了兀个低RDSON MOSFET,采用三个半桥方直布局， 共享一个VBAT供电。可选择的EMC组件将抑制导通辐射。典型的调变颛率为10kHz到15kHz。APM于-40T至125X工作。内部的热敏电駅可以在板竭富度下对输出功率进行温和的关断 (foldback)0电爲分渝器的公共返回位置可以实现电這的同步解调，稱其与相位操作进行关联。 这种总I扑适用于动力转

21、向等静态转矩控制(torque control),或者是电动液压Bl力转向的隧转 泵等连续的速度和转矩控制。图13.简化的EPSD. 智能IGBT点火器广力便用的汽车点火结构是毎个汽紙便用一个线囲(“舟笔线圈”)，I接安装在火花塞的上 方，以省去点火引我。IGBT和控制装置常常位于单飒的电子模快中，通常为引擎或者动力传动控制器。现今，杲些线圈包含IGBT,从电子模块中消除了高压。然而，为了控制线圈 电逍，必须为腔制器提供一个电逍回彊信号。迪样就需要额外的导线。为找囲内的IGBT组件添加控制IC,可以在不践的IS况下提供其它功能。使用复杂的 导线架(leadfram)可以将被动组件与控翻芯片和IGBT封装在一起。图14. S能点火(一个线圈)。注意,在图14所示的習能冊笔线圈连接器(smart pencil coil connector)!, VBAT.输人以及堆 线是仅有的连接。这款控制IC6!含自王助能：(1) 限浦，实现最长驻因时间(2) 过压保护(3) 超富保护(4) 输人信号完整性(5) 抗瞬变能力(6) 消除火花的软关断 针对高压开路电路，IGBT典璽額定值在300m J至500mJo便