【導(dǎo)讀】多年來，Power Integrations（PI）不斷將許多用于消費(fèi)類電子AC-DC的產(chǎn)品推向市場，數(shù)量和占有率相當(dāng)可觀。現(xiàn)在，憑借長期致力于高效功率應(yīng)用的能力，PI又將其AC-DC擴(kuò)展到汽車類應(yīng)用，特別是輕型電動(dòng)汽車高壓功率架構(gòu)，這對(duì)PI來說可是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。
PI資深技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理閻金光先生表示：“我們希望利用大批量交付能力和高品質(zhì)、低失效率（PPM）產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)汽車應(yīng)用的安全性和非常高的可靠性要求。將消費(fèi)類電子AC-DC的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到新的領(lǐng)域，讓汽車客戶放心使用PI的高品質(zhì)產(chǎn)品。”
新產(chǎn)品的幾個(gè)第一
內(nèi)部集成1700V碳化硅（SiC）MOSFET的兩款汽車級(jí)高壓開關(guān)IC屬于InnoSwitch?3-AQ（AQ表示汽車認(rèn)證產(chǎn)品）產(chǎn)品系列陣容，是業(yè)界首款采用碳化硅初級(jí)開關(guān)MOSFET的汽車級(jí)開關(guān)電源IC，不僅能顯著減少元件數(shù)量，還可大幅提高電動(dòng)汽車和工業(yè)應(yīng)用的效率。
新發(fā)布的兩款器件（INN3947CQ和INN3949CQ）為InnoSwitch?3-AQ系列增加了符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，可提供高達(dá)70W的輸出功率，主要用于600V和800V純電池和燃料電池乘用車，還可以用于電動(dòng)巴士、電動(dòng)卡車和各種工業(yè)電源應(yīng)用。
新器件不僅是業(yè)界唯一通過AEC-Q100認(rèn)證且高度集成的1700V開關(guān)的IC，而且目前市場上沒有可以與其相匹敵的SSR（次級(jí)反饋）方案。PI是唯一一家既可以做高壓輸入高母線電壓應(yīng)用，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)次級(jí)電壓精準(zhǔn)控制方案的公司。
另一個(gè)第一是，在之前PI的所有系列產(chǎn)品中，干脆就沒有看到過SiC這三個(gè)字母，現(xiàn)在的新產(chǎn)品是PI第一款集成的碳化硅器件。
為什么推出高耐壓產(chǎn)品？
閻金光介紹說，新產(chǎn)品的主要用途是電動(dòng)汽車應(yīng)急電源，集成1700V碳化硅MOSFET主要是為了順應(yīng)現(xiàn)在汽車母線電壓越來越高的趨勢，這些產(chǎn)品適用于600V至1200V母線電壓汽車應(yīng)用，完全是趨勢使然。
他表示，以前PI曾推出過900V耐壓的InnoSwitch3-AQ，其主要應(yīng)用是400V母線電壓的電動(dòng)乘用車。隨著高端豪華車，如保時(shí)捷、奧迪、Lucid Air使用了900V母線電壓，對(duì)汽車級(jí)開關(guān)電源IC的要求不斷提升。由于功率等于電壓×電流，在同樣功率下，提高母線電壓就可以將電流做小，減小電流就可以減少電路損耗。內(nèi)部電流無論怎么流動(dòng)，都要通過導(dǎo)體、導(dǎo)線連接，而電阻上的損耗等于I2×電阻值，所以在同樣功率情況下提高母線電壓電流減小，與電流相關(guān)的導(dǎo)線損耗就會(huì)降低，可以用更細(xì)的導(dǎo)線，整車重量和體積都會(huì)下降，對(duì)續(xù)航里程非常有幫助。比較表明，與400V相比，采用900V母線電壓產(chǎn)生的熱量損耗是原來的1/5，大大提升了電動(dòng)汽車的效率。
另外，提高母線電壓可以大幅縮短電池充電時(shí)間。一年半之前的預(yù)測顯示，大概有20%的車會(huì)改為900V母線電壓，現(xiàn)在已經(jīng)大概有50%甚至以上的新車型都在采用900V的母線電壓。以后的趨勢甚至?xí)?000V到1200V母線電壓的電動(dòng)汽車上市。
如何滿足應(yīng)急電源特殊要求？
閻金光指出，應(yīng)急電源對(duì)開關(guān)管耐壓有更高的要求，這也是發(fā)布一款1700V碳化硅MOSFET的原因。在應(yīng)急電源中，不僅要適應(yīng)更高的輸入母線電壓，同時(shí)還要保證在30VDC時(shí)也能夠正常工作，這是汽車應(yīng)急電源功能性安全的指標(biāo)要求。也就是說，正常情況下是800V母線給牽引逆變器供電，12V低壓電池給牽引逆變器的控制電路供電，一旦12V電池出現(xiàn)故障，應(yīng)急電源就要開始工作，其目的是將800V母線電壓降到低壓，為牽引逆變器驅(qū)動(dòng)及其它控制電路供電。
出于安全性考慮，作為移動(dòng)交通工具，汽車在故障情況或撞車時(shí)，不能因12V電池壞掉而產(chǎn)生安全性問題，所以汽車對(duì)安全性、可靠性的要求非常高。應(yīng)急電源輸入電壓適應(yīng)范圍很寬，要求必須能夠在母線電壓低于60V時(shí)仍能提供控制電路所需的功率。
InnoSwitch3-AQ IC采用InSOP-24D封裝和AC-DC常見的反激電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩端電壓接電池母線，其輸出為牽引逆變器驅(qū)動(dòng)及其它控制電路。在傳統(tǒng)方案中，對(duì)這么高的輸入電壓（1200V母線電壓），要相應(yīng)增加MOS管的耐壓。所以，對(duì)應(yīng)高母線電壓應(yīng)用是使用StackFET，在低耐壓InnoSwitch3-AQ上再疊加另一個(gè)MOS管，目的是通過串聯(lián)增加耐壓。但是要開通上面的管子，還要加一些額外電路。現(xiàn)在有了1700V的InnoSwitch3-AQ，就不需要再加這些額外的MOS管和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路。
跟以前StackFET架構(gòu)相比，其最大的不同是在原來比較精簡的電路基礎(chǔ)上進(jìn)一步減少了外圍元件。
AC-DC應(yīng)用設(shè)計(jì)要考慮什么？
回到AC-DC應(yīng)用，目前車用市場上有兩種母線電壓：400V和800V。400V低端車用的比較多，是標(biāo)稱電壓，最低電壓可能到320V。現(xiàn)在，所有電動(dòng)汽車制造廠商都在盡量提高電壓，目的是減小電流，降低損耗，400V范圍在380V到450V之間，而800V最高電壓會(huì)達(dá)到950V。
這是怎么計(jì)算的？閻金光解釋說，以800V電壓為例，在電動(dòng)汽車踩剎車時(shí)，母線兩端就會(huì)出現(xiàn)反向電動(dòng)勢；電動(dòng)汽車充電時(shí)充電電壓也肯定比電池兩端電壓高，一般要留15%裕量，所以800V母線電壓×15%等于920V。在做反激電源設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮輸出反射電壓及漏感的影響，因?yàn)镸OS管除了承受輸入電壓外，還要承受變壓器繞組上的反射電壓。反射電壓一般是按照正常匝數(shù)比設(shè)計(jì)的，可能在120V左右。所以，MOS管關(guān)斷時(shí)，920V最大值再加上120V，其兩端電壓可達(dá)1040V。
設(shè)計(jì)還要留一定裕量，比如80%的降額，把降額算進(jìn)去，1040V的耐壓要達(dá)到1300V。對(duì)應(yīng)標(biāo)稱900V母線電壓，在MOS管兩端真正呈現(xiàn)的電壓會(huì)達(dá)到1300V。所以市場上以前的方案往往是選用耐壓為1500V的汽車認(rèn)證MOS管來做高輸入母線電壓應(yīng)用。
PI現(xiàn)在采用1700V碳化硅MOS管，裕量沒有問題，即使將來母線電壓升高到1200V、1500V，也可以用現(xiàn)在的1700V碳化硅MOS管。在InnoSwitch3-AQ中，初級(jí)和次級(jí)側(cè)分別有兩個(gè)控制器。控制器是以次級(jí)側(cè)控制器作為主控制器，即初級(jí)MOS管的開通來自于次級(jí)側(cè)控制器的指令。初級(jí)側(cè)控制器收到次級(jí)側(cè)控制指令后MOS管開通。開通后的關(guān)斷由初級(jí)側(cè)控制來執(zhí)行，當(dāng)開關(guān)管達(dá)到一定峰值電流后，初級(jí)側(cè)MOSFET關(guān)斷。
為了提升效率，在次級(jí)側(cè)有同步整流驅(qū)動(dòng)，它來自于次級(jí)側(cè)控制器。如果用分立元件做，在次級(jí)側(cè)往往有另一個(gè)獨(dú)立的同步整流控制器。這種獨(dú)立的控制器可能會(huì)在一些故障情況下出現(xiàn)不應(yīng)有的驅(qū)動(dòng)脈沖，使開關(guān)管誤開通。PI用同一個(gè)控制器來控制初級(jí)側(cè)功率管，也控制次級(jí)側(cè)同步整流管，就可以將這兩個(gè)管做到非此即彼，不會(huì)出現(xiàn)共同導(dǎo)通現(xiàn)象。這是與分立元件相比的優(yōu)勢所在，而共同導(dǎo)通是反激電源中不能接受的。
幾乎成為標(biāo)配的FluxLink?
同步整流可以提高效率，由于是次級(jí)側(cè)電壓檢測，所以輸出非常精確。當(dāng)然，初級(jí)和次級(jí)之間不需要加光耦器，而是用PI之前許多產(chǎn)品中都有的FluxLink?磁感耦合方式進(jìn)行通信。
閻金光這樣解釋，在汽車應(yīng)用中，很多汽車制造廠商不喜歡用光耦器，這是因?yàn)楣怦钇鲿?huì)隨著溫度和使用壽命延長發(fā)生傳輸特性的變化。其安全可靠性難以滿足汽車這類有很高安全性要求的應(yīng)用。所以，很多方案都是用PSR來做，即初級(jí)側(cè)恒壓。實(shí)際上PSR的輸出穩(wěn)壓精度沒有那么高，因?yàn)樗峭ㄟ^初級(jí)側(cè)偏置繞組進(jìn)行檢測，采用SSR時(shí)輸出電壓、電流都是次級(jí)側(cè)直接檢測，相對(duì)初級(jí)穩(wěn)壓電路工作方式，可以達(dá)到更高的精度。精度的增加極大地節(jié)省了整個(gè)系統(tǒng)的成本。
傳統(tǒng)方式下，如果穩(wěn)壓精度不高，就會(huì)加第二級(jí)穩(wěn)壓電路，不但會(huì)增加元件數(shù)目，還會(huì)影響整體電源效率。在提高母線電壓的應(yīng)用中，采用FluxLink?可以充分保證絕緣強(qiáng)度，滿足AEC-Q100汽車級(jí)認(rèn)證，并在初級(jí)側(cè)集成1700V碳化硅MOS管。
在分立元件方案中，有時(shí)會(huì)加一些啟動(dòng)電阻來控制啟動(dòng)，汽車應(yīng)急電源一般要求60V以下能夠工作，而新器件的性能優(yōu)勢是支持30V啟動(dòng)。得益于InnoSwitch3漏極自供電啟動(dòng)，滿載輸出功率可以保證在30W到70W。
應(yīng)急電源輸出是為后面的牽引逆變器驅(qū)動(dòng)及其它控制電路供電，包括有源短路電路和一些主動(dòng)放電電路。因?yàn)?00V只給牽引逆變器母線（電機(jī)）供電，但電機(jī)下面的驅(qū)動(dòng)電壓，包括汽車中控制電路的一些電壓都比較低，要靠12V母線供電；而在12V電池組壞掉時(shí)，要由應(yīng)急電源供電。采用1700V耐壓碳化硅后，可以將電源元件數(shù)目縮減50%，把PCB板面積做得很小，電路所占空間的減小有利于使用更小的金屬外殼，減輕整車的重量，增大續(xù)航力。
汽車不像消費(fèi)類電子，與人的生命息息相關(guān)，出現(xiàn)故障或反應(yīng)遲鈍都會(huì)造成生命財(cái)產(chǎn)危險(xiǎn)。汽車可靠性與元器件數(shù)目有很大關(guān)系，元件數(shù)目多，可靠性就會(huì)下降，而用更少的元件設(shè)計(jì)應(yīng)急電源可以充分提高汽車的安全性和可靠性。
調(diào)整率方面，輸出電壓可以做到正負(fù)2%精度，因?yàn)榇渭?jí)側(cè)電壓檢測精度更高，可以節(jié)省一些后級(jí)DC-DC電路，降低成本和元件數(shù)目。FluxLink?的環(huán)路響應(yīng)速度非常快，好處是輸出端可以用更小的輸出電容。雖然輸出電容越大動(dòng)態(tài)響應(yīng)越好，但增加電容就會(huì)使PCB面積增大，成本也會(huì)增加。而且，大于90%的效率可以減少發(fā)熱，效率高就可以不用散熱片。加散熱片涉及固定、震動(dòng)，都會(huì)對(duì)可靠性產(chǎn)生影響，體積也不能做得很小。
所有汽車廠商都有最低效率要求，汽車不是總在最大負(fù)載下工作，速度比較慢時(shí)負(fù)載就比較輕，所以輕載效率對(duì)整個(gè)汽車的續(xù)航力也有影響。根據(jù)控制方式，在不同負(fù)載情況下，新器件都可以保持電源效率恒定。
另外，汽車長期不開母線電池也會(huì)供電，如果電源功耗比較高，電池自放電就很嚴(yán)重，會(huì)影響電池續(xù)航能力，所以電源空載功耗對(duì)電池自放電有影響。新器件的空載功耗可以做到小于15mW。
從系統(tǒng)層面看，穩(wěn)壓精度高就不需要后級(jí)的DC-DC穩(wěn)壓電路，三相牽引逆變器有6個(gè)開關(guān)管，下管驅(qū)動(dòng)的DC-DC電路可以省掉。在反激電源中還可以做多路輸出，滿足各個(gè)子系統(tǒng)的不同輸出電壓需求。
相見恨晚
閻金光說，在汽車設(shè)計(jì)驗(yàn)證期間，要求凡是連接至高壓母線的元器件都要進(jìn)行長時(shí)間的安全測試，包括開路、短路，因?yàn)槟妇€電壓很高，如果連接母線電壓的元器件有問題造成電池短路，那將是災(zāi)難性的后果。應(yīng)急電源中采用了1700V碳化硅開關(guān)管后，方案元件數(shù)目大幅度縮減，就沒有很多元器件連接到母線電壓，這樣就大大縮短了汽車認(rèn)證期間的驗(yàn)證時(shí)間，同時(shí)保護(hù)特性也都集成在IC內(nèi)部，很受客戶歡迎。
某些電動(dòng)車設(shè)計(jì)廠商客戶剛開始拿到Demo板時(shí)，都不太相信有這樣的方案；做了測試后覺得確實(shí)不錯(cuò)，都有相見恨晚的感覺。因?yàn)樵谑袌錾虾苌儆屑扔泻芨吣蛪旱腗OS管，又做到次級(jí)側(cè)SSR穩(wěn)壓調(diào)整的產(chǎn)品。現(xiàn)在，用兩個(gè)額定耐壓1700V的新型號(hào)器件就可以輸出50W和70W不同應(yīng)急電源功率。以前的器件有700V、750V和900V，現(xiàn)在可以涵蓋所有電動(dòng)汽車系統(tǒng)電壓，無論是400V、800V或?qū)淼?200V、1500V母線電壓。
除了滿足汽車認(rèn)證的產(chǎn)品型號(hào)以外，PI也在一些非汽車認(rèn)證產(chǎn)品內(nèi)部集成了1700V碳化硅MOS管，主要用在交流輸入電壓比較高（600Vac到1000Vac）的工業(yè)應(yīng)用，如機(jī)器人、電焊機(jī)、三相電表和工業(yè)電機(jī)。
1700V InnoSwitch3-AQ有兩款參考設(shè)計(jì)，DER-913Q-INN3947CQ和RDK-919Q-INN3949CQ，前者輸出功率是35W，后者是60W，分別采用平面變壓器和普通變壓器的設(shè)計(jì)。兩款設(shè)計(jì)的效率均做到90%以上。元件數(shù)目僅有40幾個(gè)，相對(duì)于傳統(tǒng)方案100多個(gè)元件的設(shè)計(jì)大大縮減。
趨勢最重要
以前在談到汽車母線電壓時(shí)經(jīng)常提到的是400V或800V，這個(gè)主要是對(duì)常見的乘用車而言。其實(shí)對(duì)于大馬力的巴士車和卡車來講，舊有設(shè)計(jì)經(jīng)常使用的母線電壓為600V。這些車型往往連續(xù)使用時(shí)間比較長，載重量大且要求更短的充電時(shí)間。對(duì)于這類高母線電壓的應(yīng)用，新器件都可以覆蓋。
未來的趨勢是，無論乘用車、巴士還是卡車，都會(huì)往更高母線電壓的方向發(fā)展。當(dāng)然，母線電壓可以來自于純電池，也可以是燃料電池，以前是高端乘用車才用高母線電壓，現(xiàn)在所有車輛都會(huì)把母線電壓提高。PI此時(shí)涉足這一市場可謂正是時(shí)候。
來源：功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)，
作者：PSDC主編 劉洪
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