电动汽车对电源芯片与功率器件挑战

电动汽车对电源芯片与功率器件挑战

由于锂离子电池对过度充电和深度放电非常敏感，在这些情况下它们都有可能燃烧或爆炸。Atmel公司的次级保护器件ATA6871提供了一种特殊的安全策略，监控电池单元的电压和温度，防止锂离子电池发生热失控或爆炸。一旦电池单元发生上述其中一项异常情况，便会通过紧急继动装置予以关断。ATA6871带有无需外部微控制器或软件就能够运行的内建自我测试程序，以及由硬件实现的监控阈值，能够提供安全级别最高的锂离子电池监控功能。即使初级器件被损坏，也可以确保正常的运作。

对锂电池组安全的群体性担忧，促使业界研发更为精密安全的电池检测管理芯片，汽车半导体厂商不断地推出新的电池管理和功率解决方案，力图在确保安全的前提下延长电池的寿命，并降低成本、体积和重量。

挑战二：扫除高压电气系统的障碍

HEV设计的另一个挑战是高电压。传统轿车使用的是12V的电源系统，而轻度、全面及插电式HEV却需要600V到1,200V之间的高电压电子系统，这使设计更具挑战性。

“HEV最重要的革命性改变是动力系统的电气化，它要求大动力的电动引擎，并且必须在比标准12V内燃引擎推动的汽车更高的电压下运行。另外，HEV的电池和能源管理是基于12V和一个数百伏的高电压电池的双电网，以及对汽车领域来说属于崭新设计的DC/DC转换器和功率管理方案。”国际整流器公司(IR)汽车产品副总裁及总经理HenningM.Hauenstein博士指出：

HEV的汽车结构需要使用高电压。因此，功率管理IC必须承受典型600V的电压水平，在一些大马力的HEV型号中更可能要承受高达1,200V的电压。IR有为轻型混合动力汽车提供先进的电机驱动解决方案，而那些在10-15kW范围的动力系统电机，通常会使用拥有600V能力的产品。至于全混合动力和插电式混合动力汽车，以及那些电机高达，甚至超出100kW的电动汽车，IR有高达1,200V的开关和驱动IC供应。

相关的功率IC除了需要高达600V到1,200V的高电压能力外，也需要驱动逆变器和DC/DC转换器中前所未见的电流密度的开关。功率IC要面对这样的高功率、高电压以及高能源，就要以坚固耐用、可靠性和安全作为主要的条件。Hauenstein博士表示，“IR非常重视电机驱动IC的保护功能，例如它们在HEV牵引电机出现严重故障和短路时，免除了微型控制器的互动需要。我们是业界率先为负电压尖峰免疫性引入安全操作区指标的公司，因为这个问题在HEV逆变器中，开关高电流、高电压IGBT时十分常见。”

IGBT位于逆变器中，为混合系统的电机提供能量。英飞凌IGBT技术可为HEV动力系统带来诸多优势。沟槽场终止技术可降低传导损耗和开关损耗，同时可使尺寸缩小30%。英飞凌结合沟道场终止IGBT(绝缘栅双极晶体管',event);" style="color:#FFFFFF;background-color:#0066FF;text-decoration:underline;cursor:pointer;" name="aspx1" target="_blank">晶体管)技术和Emcon二极管技术进行开发的HybridPACK1功率模块用于轻度混合动力汽车；HybridPACK2则完全混合动力汽车应用。

几年前，汽车中的功率器件大多数都是55V到60V的MOSFET，主要用于汽车的动力传动系统。现在的汽车则采用20V到600V的功率器件。对于动力转向及制动这类应用，开发工程师正在寻找具有低导通阻抗的高性能低压沟道型MOSFET，以降低汽车的功耗。

IR由体积最小的HEV，也就是所谓微型混合动力汽车开始，为它们的启动/停止功能提供极为耐用的MOSFET。启动/停止功能让汽车在交通灯前停车或者下山时自动停止内燃引擎操作，而相关的制动能量便可以补充给电池。频繁的引擎发动，使起动器或者集成式起动发电机要求非常耐用的功率管理方案，这是因为当你以车匙发动汽车时，普通的起动器只会发动引擎一次，但集成式起动发电机则要在频繁的启动/停止周期中应付高得多的功率。IR的AUIRS2003S是一款高功率MOSFET驱动器，并备有高、低侧参考输出通道，适用于恶劣的汽车环境及引擎罩下的应用。这款输出驱动器具有高脉冲电流缓冲级，可将驱动器跨导降至最低，而浮动通道可在最高200V的高侧配置中驱动一个N沟道功率MOSFET。该器件还提供低静态电流，可为高侧电路带来低成本自举电源。

为了满足电池和功率管理、以及相关的DC/DC转换器的要求，IR的HEV方案系列也包括了具备非常低EMI和优化了的开关性能的驱动器及开关。例如最新的DirectFETMOSFET产品便完全不用键合线，并且因为消除了大部分的寄生电感，以及具备最小的封装电阻，所以能够提供最佳的开关性能。除了领先行业的低导通电阻、卓越的开关性能和增强了的温度能效(例如双侧散热)，这款十分先进的无键合线芯片尺寸封装让设计的体积显著减小，特别适用于高功率要求或者如HEVDC/DC转换器这些快速开关应用。

AllegroMicroSystems公司具有故障诊断和报告功能的全桥式MOSFET预驱动器A4940，采用超小型封装，提供灵活的输入接口、自举监控电路、宽泛的工作电压(5.5至50V)和温度(40℃至+150℃)范围。该器件特别针对使用大功率电感负载(如：直流电刷电动机)的汽车应用而设计。

压电喷射或高强度照明等其它应用需要100V到200V的功率器件和驱动器。而点火IGBT和混合动力电动汽车在使用300V到1,000V以上的IGBT。飞兆半导体公司的栅极驱动器FAN7080x系列，让工程师开发出在所有操作条件下更准确、精密的燃油喷射控制系统，从而提高燃油效率。这些栅极驱动器在高侧和桥驱动器应用中驱动MOSFET和IGBT，如直接燃油喷射系统和电机控制。与市场上同类器件相比，它们的静态功耗减少一半以上(静态电流100μA对比240μA)，容许设计人员优化系统和扩大工作范围。

绝缘栅双极晶体管(IGBT)和功率MOSFET作为混合动力汽车的核心技术，吸引功率半导体厂商纷纷瞄准这个庞大的市场。ISuppli曾预测汽车IGBT市场有望以17.2%的年复合增长率高速发展，位居汽车电源管理器件之首，MOSFET市场增长居其次。虽然在未来几年中混合动力车辆还将只是占据车辆市场的一小部分，但混合动力对逆变器和DC/DC的集中需求将形成市场对IGBT和功率MOSFET的巨大需要。