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加大汽车电子的研发,PI从消费市场迁移至车载的“跨界”

关键词:汽车电子 PI

时间:2021-09-29 14:18:57      来源:互联网

小米在今年的春季新品发布会上,正式启动了其造车计划,这一消息轻松霸占了各大社交媒体的热搜与头条。家电、消费电子企业的跨界造车的热潮正在如火如荼地展开,无论是时常左右投资者思考的分析师,还是只看产品的普通消费者,贴着“燃油车”标签的企业,在他们面前似乎一下失去了魔力。

小米在今年的春季新品发布会上,正式启动了其造车计划,这一消息轻松霸占了各大社交媒体的热搜与头条。家电、消费电子企业的跨界造车的热潮正在如火如荼地展开,无论是时常左右投资者思考的分析师,还是只看产品的普通消费者,贴着“燃油车”标签的企业,在他们面前似乎一下失去了魔力。

传统燃油汽车更侧重对发动机和精密零部件等技术的研发,而围绕整个电动汽车最大的技术难点就在于电源管理。电源管理一方面牵扯到电动车的续航里程,另外一方面则牵扯到充电时间,这两方面目前是消费者使用电动汽车最为关切的两大因素,此外安全的电源管理也是电动汽车相较于传统燃油车的不同之处。

在电动汽车中,电源系统囊括了DC/DC转换器、AC/DC变换器和DC/AC逆变器等众多电源管理相关技术,并且包括IGBT、GaN以及SiC等高功率器件,电压范围可覆盖从5V到最高1200V,这些复杂的电源管理系统,将给半导体厂商带来巨大的机遇和挑战。

Power Integrations, Inc(PI)作为一家专注于高压电源管理的供应商,正在通过包括功率变换IC、大功率门极驱动和整流二级管产品的汽车化升级认证,不断扩大公司在电动汽车市场应用的销售规模。正如PI CEO Balu所说:“几年前,我们开始为汽车市场开发产品,尽管该市场的营收可能仍需几年时间,但潜在机会是巨大的。高电压在电动汽车(EVs)中无处不在,不仅在传动系统中,而且在充电中。在下一代汽车应用当中,电源管理将涵盖从主电池驱动到许多其它内部的子系统。”

正如Balu所说,目前大部分小型电动汽车的母线电压是400V左右,中高端电动汽车甚至已经转向电动巴士所采用的800V及最高925V电压。采用更高电压的好处显而易见,可以使充电速度更快,并且减少损耗、线束及电机更轻。

符合车规标准的产品

相较于消费以及工业系统而言,汽车牵扯到乘客的生命安全,因此需要注重各种安全指标,包括稳定性和可靠性、使用寿命、抗扰性等等一系列指标都较为严苛,并且制定了一系列的安规标准,诸如AEC-Q100、AEC-Q101、IEC60664-1等。

在历经了几年相关可靠性设计、测试验证及安全标准认证之后,2020年,PI推出一系列符合汽车标准的产品,包括SCALE-iDriver、InnoSwitch™和LinkSwitch™等,并将推出更多针对电动汽车的产品。“汽车应用将成为我们重要的组成部分”Balu强调道。

如图所示,一般而言电动汽车母线电压包括高压400V(或800V)的电池系统,以及传统的12V铅酸电池,其中铅酸电池用于传统的辅助电源、泵、压缩机、方向盘转向等供电,而高压系统则负责向逆变器、电池加热系统以及通过高压DC/DC转换成12V从而为12V母线供电等系统。

PI产品在牵引逆变器中的应用

牵引逆变器作为动力系统,是电动汽车中最重要的组成部分,因此对于安全等级要求非常高。汽车安全标准ISO26262对于的道路车辆的功能安全提出了一系列要求,针对牵引逆变器系统来说,比如当12V供电电源出现故障时,仍然要保证在母线电压存在的情况下系统能够生成所必须的12V供电电压,该供电电压可以确保汽车的关键系统(诸如转向、刹车等)在可控范围内,从而保护用户。这样就需要电动汽车内部必须具备应急电源系统(EPS),其主要功能就是可以将800V母线直接转换成12V电压,从而为动力系统逆变器的控制及驱动IC以及安全控制电子系统供电。而电动汽车的母线电压范围在故障期间也可能是非常低的,就需要应急电源能够在很宽的范围内维持工作。PI的InnoSwitch3-AQ可支持直接从30-500V高压母线转换成12V低压输出,从而满足应急电源的设计要求。

InnoSwitch3-AQ系列IC,将初级、次级和反馈电路同时集成到一个表面贴装离线式反激开关IC中。所有InnoSwitch IC都集成了750V初级MOSFET、初级侧控制器、用于同步整流的次级侧控制器,并且通过磁感耦合的FluxLink技术省去了光耦,从而进一步提高器件的可靠性。而通过外加MOSFET的PI的StackFET拓扑技术,应急电源可以在800V或925V的更高母线电压下工作。这种拓扑不但可以降低初级开关管的电压应力,还可以在InnoSwitch3-AQ和外加的MOSFET开关管之间分担散热,更加适合于电动汽车较高工作环境温度的要求。

FluxLink采用数字通信技术,具有较高带宽,这也使InnoSwitch3的动态响应速度相较于传统的PWM控制方式更快。其次级侧检测和控制的方案可将输出精度控制在±3%以内。对于目前电动汽车应用中广泛采用的初级侧稳压方案,这种输出精度的保证可以大大缩减方案成本,并提升电源的系统效率。

InnoSwitch3-AQ符合AEC-Q100标准,并且生产过程通过IATF16949认证,从而满足车规级的严苛要求。

针对逆变器驱动,PI提供了SCALE-iDriver 系列门极驱动器IC,可为IGBT、传统MOSFET和SiC MOSFET等不同的功率开关器件提供隔离驱动以及相应的保护。隔离驱动的耐压最高可支持8000V的瞬态隔离电压。爬电间距做到9.5mm,对于汽车中高污染环境的应用,可大大提高可靠性。门极驱动的最大驱动电流可达8A,完全可以满足大功率开关的驱动需求。PI每一颗驱动IC都经过了绝缘测试以及局部放电测试,以确保产品的高可靠性。同样,PI也将FluxLink 磁感双向通信技术引入到驱动器应用中,通过1200V加强隔离技术,可降低信号传输的干扰。SCALE-iDriver利用AROC(高级阻性过压控制)技术,控制di/dt,降低关断过压,从而提高转换效率。

由于功率器件的关键性且价格高昂,SCALE-iDriver具有完善的保护功能可有效防止功率管的损坏,包括高级软关断、短路保护以及原方和副方欠压保护等功能。而针对SiC更高的开关频率,SCALE-iDriver可以实现更快的短路响应时间,并且针对集成电流检测/镜像功能的SiC,可以直接实现过流关断。SCALE-iDriver还集成了功率管理和电压稳压,通过单电压输入即可输出开关驱动所需的正负电压,减少了元件数量。

除了上述两款器件之外,PI还提供了包括车规级LinkSwitch反激开关以及Qspeed二极管等产品,满足汽车市场的不同需求。

丰富的汽车解决方案

如今,PI的车规级产品可广泛应用于主高压DC-DC转换器、牵引逆变器、电池管理系统、空调和辅助DC-DC转换器以及车载充电器等领域。

随着电动汽车续航里程和充电技术的不断改进,将极大促进电动汽车的普及,这种技术的进步主要将体现在改进电池技术及半导体IC中。针对半导体来说,可以利用宽禁带半导体技术或者是通过高效率的电源管理器件以及拓扑架构,实现合理的转化和利用能源,达成更高功率密度。

在2021年两会上,“碳达峰”“碳中和”被首次写入政府工作报告。按照规划路径,到2060年,纯电动汽车的渗透率有望超过70%。面对如此巨大的市场前景,半导体厂商都势必会加大投入,重拳出击,抢滩千亿汽车半导体市场。PI利用其在高压、隔离、封装、可靠性及拓扑等方面的积累,不断推出符合车规标准的产品,满足电动汽车全新的体系及架构要求,帮助电力电子相关工程师解决电动汽车电源管理所遇到的挑战。使其在满足汽车领域高安全性要求的同时,简化产品设计并提高转换效率和密度,从而顺应电动汽车的开发需求。

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