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智慧功率模組用於汽車高壓輔助馬達負載應用
提升燃油經濟性

【作者: Thomas Yim】   2017年11月09日 星期四

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汽車法規的當前趨勢是刺激對每英里產生更少二氧化碳的讓車輛更經濟的需求。車輛購置稅政策目前支持低污染的車型,汽車製造商必須遵守新的法規,如歐盟的車隊平均排放指令,懲罰不提供燃油經濟性的汽車品牌。所有汽車的平均二氧化碳排放量不得超過130克/公里,而不遵守的製造商必須每售出一台汽車就支付過量排放費。到2021年CO2的限制將?少到95克/公里,CO2?排法規將提前不斷加?。


汽車製造商為實現更高燃油能效的戰略的重要一環,是由電動驅動取代傳統由發動機驅動的主要子系統。這包括水泵、油泵、空調、渦輪增壓器和動力轉向,有效減少發動機的機械負荷,讓更多的能量經由燃燒燃油釋放,以驅動車輛。以電裝置取代泵、風扇、壓縮機等機械馬達負載,可減少高達3%至5%的燃油消耗。


汽車行業期望確保最高效的電氣系統更換,因為車輛的電能由電池供電,電池本身通過發動機驅動發馬達充電。新的電氣負載應不需要過多電力,在設計上也應盡量減少可避免的能源損耗,以最大化整體的燃油經濟性。另一個關注的問題是越來越多的電動驅動系統對車輛線束大小與重量造成的影響,汽車製造商需要有效技術防止線束變得太大太沉重。


為電氣系統的更換設計大功率馬達驅動器,對汽車製造商在能效、物理尺寸和亮度方面的表現有重大影響。


利用現有的設計專知

汽車行業可以吸收以往在其他領域所獲得的驅動設計經驗。例如,多年來,高能效馬達驅動的需求在家用電器市場極為重要。用來方便比較不同設備能效等級的產品標籤,不僅驅使消費者把注意力放在能效,導向資訊充分的購買決策,也能減少二氧化碳總排放量,減少個人的帳單費用。


為達到最佳的能效等級,包括洗衣機、伺服驅動器、工業泵白家電和工業應用等大功率馬達(0.5kW至10KW),正用節能可變速變頻驅動器取代低成本簡單的單速驅動。隨著驅動器成本降低、功率半導體技術的進步和知識產權(比如磁場定向控制FOC韌體)的成熟,採用可變速驅動的電器已逐漸從高端設備過渡到主流產品範圍。許多發達國家的屋主現在可以享有家電變速驅動帶來的優勢:較低的設備運行成本、更安靜的運行、更靈活的使用模式。


安靜高能效的馬達驅動器對汽車行業是額外的吸引力。隨著內燃機日益向電驅動模式和啟停(微型混合)模式發展,傳統發動機的雜訊正逐步從汽車駕駛座消失。由於駕駛艙更安靜,電動機等其他機制也必須更小聲,以確保最佳的終端用戶體驗。


此外,變速控制可調節油和冷卻劑的流速,以滿足發動機在寬範圍工作條件的需要。如果發動機已高速運行,然後交通堵塞,要求發動機空轉,同時傳統水泵要慢下來。電子控制的變速泵可以利用編程,維持發動機內部的熱條件同時以理想速率移動冷卻液,也可以在發動機關閉後繼續運行,以優化發動機的冷卻曲線。


電源模組的整合

變頻驅動比簡單的定速驅動複雜。它們包含一個運行FOC演算法的控制器、用於驅動電流到馬達相的功率電晶體橋所需的高邊和低邊閘極驅動器、在三相橋內達6個IGBT或MOSFET,以及保護電力設備與系統免於浪湧電壓、短路電流、過溫的保護電路等潛在破壞。



圖1 : DBC基板實現經濟和高效的熱管理
圖1 : DBC基板實現經濟和高效的熱管理

在如馬達驅動等控制模組中更高的功能整合對製造商在未來汽車底盤增加所需額外電路至關重要。實際上,整合不僅有助節省空間,還可幫助降低成本,提高可靠性,加快新產品上市進程。有利的是,在家電行業中現有的馬達驅動設計經驗可以幫助實現這些要求。


家電市場的需求促進創建智慧功率模組(IPM),利用先進的製造和封裝技術將高壓、大功率電路與邏輯電路結合於同一元件。


IPM在關鍵閘極驅動器和保護電路的同一模組中整合了橋式高壓矽電源,為馬達驅動系統設計提供了幾項優勢。最大的優勢是,客戶可以享受直接覆銅(DBC)技術帶來的極低Tj性能,簡化功率級的設計。否則工程師將需自行配置邏輯和電源電路,並處理所有原型,以成功整合系統以及設計保護電路。由於這些任務繁雜,現成方案極具價值。


而且,單個模組中整合所有驅動器的功率級電路遠比由分離元件組成的方案節省空間。該模組占位更小,通常會有一個較低的安裝高度。此外,由於必須放置和連接的單個元件較少,整體可靠度增加。


滿足汽車應用需求

安森美半導體的FAM65V05DF1汽車IPM智慧功率模組標誌著新一代汽車認證的(AECQ100/101)整合功率模組的出現。該模組包含一個由6個功率開關組成的三相橋,每個功率開關都結合一個650V高能效場截止溝槽短路級*IGBT和一個具有軟恢復特性和低反向恢復電流的續流二極體。由於使用高壓匯流排以較小的橫截面和低重量的電導體的低電流為電負荷配電的行業期待, IGBTs 650 V額定值支持達約200至400 V母線電壓,提供足夠的安全邊線。



圖2 : 短路級條件:Vdd=450V,Vcc=15V Tj=150?C
圖2 : 短路級條件:Vdd=450V,Vcc=15V Tj=150?C

三個單個單通道高壓IC(HVIC)控制高邊IGBT的閘極,一個三路輸出的低壓IC(LVIC)控制低邊IGBT的閘極,如圖三所示。



圖3 : 整合3個HVIC、3路LVIC和功率半導體到汽車IPM
圖3 : 整合3個HVIC、3路LVIC和功率半導體到汽車IPM

FAM65V05DF1 中的LVIC和HVIC實施個別的欠電壓鎖定(UVLO)電路以保護IGBT,避免不足的閘極驅動電壓工作。LVIC實施過流保護電路,提供軟關斷特性,利用衰減閘極電壓保護IGBT免受潛在破壞性電壓浪湧,而非突然關斷元件。該模組的溫度感測器能協調熱保護,也整合於LVIC。此外,LVIC有故障輸出,可用於啟動系統等級保護以實現最佳可靠性。


汽車應用的模組熱性能非常重要。峰值環境溫度可能非常高,特別是模組附近或在發動機上,同時必須確保在保固期內或比保固期時間稍長的可靠度。尺寸和成本的限制也必須考慮。直接覆銅基板提供具成本效益和熱能效的方案。汽車IPM中,IGBT和續流二極體直接連接到直接覆銅基板,確保了電源晶片的熱量有效地抽取至封裝邊緣,在封裝邊緣可以附加散熱器幫助散熱。


把功率半導體、驅動器和保護電路整合到單個模組,在僅44x26mm的占位實現了一個完整的三相橋和驅動器。相比傳統使用單個汽車認證的元件(分立IGBT+外部三相閘極驅動器等)實施的控制器,節省了30%的PCB空間。


總結

隨著提高內燃機能效的重要性不斷加強,高能效整合的高壓電源模組是提供簡潔、實惠、可靠的電氣替代一般由發動機曲柄驅動的耗能機械驅動器的關鍵。這些模組在單元件中結合了功率開關、閘極驅動和邏輯電路(像是智慧功率模組),類似於目前一些最好的家用電器方案。場截止溝槽IGBT、STEALTH二極體、HVIC、LVIC和DBC技術是促成新一代汽車IPM的主成元素,以滿足汽車行業對能效、可靠、成本和尺寸的要求。


(作者Thomas Yim為安森美半導體高級經理)


**刊頭圖(source: lifesafer.com)


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