宽禁带通往汽车电力电子系统之路

发布时间:2021-8-10 14:50    发布者:eechina
关键词: 宽禁带 , 汽车 , 电力电子
面向电动汽车 (EV)、混合动力汽车和汽油车的电力电子市场持续增长,其中的硅 (Si) 和宽禁带半导体器件,如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件,正在吸引着人们的极大兴趣。

混合动力汽车 (HEV) 电源系统的电压要求从12V到800V不等,电流更是达到数百安培。

从性能上来说,宽禁带半导体器件是很好的替代品,它们提供更高的击穿电场、导热率以及饱和电子漂移速度。但在消费类车辆的电力电子系统中,它们的成本劣势会盖过它们的性能优势。

与硅 (Si) 和砷化镓 (GaAs) 工艺相比,宽禁带SiC或GaN器件带来了更高的效率、开关频率、工作温度和工作电压,以解决功率转换问题。但另一方面,它们往往太过昂贵,无法用于汽车应用。

电动车通常就是全混合动力汽车 (FHEV)、插电式混合动力汽车 (PHEV) 和轻度混合动力汽车 (MHEV) 这几种。

普通汽车有600个MOSFET,高端汽车有100个MOSFET,而48V轻混汽车有400个MOSFET。硅MOSFET器件解决了高电压和成本问题。在解决了过电压不平衡问题后,串联配置的低电压功率半导体器件打造出了有效的功率转换系统解决方案,又解决了成本和效率问题。

下面介绍了如何在48V MHEV中使用标准硅降压转换器MOSFET电路。这个48V的电池系统能够承受高输入电压的负载突降瞬变,同时以低电磁干扰 (EMI)、低占空比和高效率运行。

并联MOSFET

电动助力转向、泵、风扇和车身应用,通过48V MOSFET车辆系统驱动应用(图1)。

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图1: MHEV提供更符合汽油燃料排放标准的选项。(图源:Smile Fight/Shutterstock)

在这些系统中,MOSFET在运行过程中会承受大量的机械应力,因为随时都会发生很多的膨胀和收缩。汽车使用的材料包括铜、铝和FR4。所有这些材料都有不同的热膨胀系数。

主要的MOSFET器件必须从电池向系统传导大电流。如果这些MOSFET采用并联配置,那么系统就要努力使电流和温度的不平衡得到控制(图2)。

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图2: MHEV 48V系统,其中三个并联的MOSFET在PCB面上形成一个对称的回路。(图源:作者)

(图2)显示了三个环形配置的MOSFET。在这个配置中,MOSFET的源极连接到一个星点。与漏极回路的对称连接用于连接MOSFET之间的电气和热路径。

MOSFET必须能够耗散尽可能多的热量,以优化其性能,并使最热MOSFET的结温保持在175℃的最高安全温度以下。
为此,就需要让每个MOSFET的安装基座与所有其他MOSFET的安装基座都匹配,并且尽量减小基座间的热阻。每个MOSFET对称安装,并且尽可能靠近导热表面。

低热阻路径使MOSFET之间的热量容易流动。热流与电流类似,因此,MOSFET的热粘合点或漏极片应在主要热环路上。当组内所有MOSFET之间的热量容易流动时,MOSFET的安装基座温度就会非常稳定。

这种安排可以实现更好的芯片温度匹配,而不是平等的电流均流。

辅助48V系统

制动动作使能量从内燃机流向48V电池,发动机扭矩传递给作为发电机的皮带传动启动/发电一体化电机(BSG)。通过硅绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 或MOSFET本征二极管的三相逆变器对BSG电波形整流,用直流电为48V电池充电(图3)。

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图3:辅助48V系统(图源:作者)

在启-停期间,能量从48V电池流向BSG,充当电机。在此期间,48V电池为BSG提供电能,并通过三相硅功率晶体管逆变器汲取电能。一个DC-DC降压转换器将48V电压降低到16V,为3相逆变器栅极驱动器供电。这将为BSG提供正确的运动顺序。

BSG将完成三项任务:在启-停期间启动发动机,通过提高扭矩改善加速性能,以及通过制动动作为电池充电。48V电池还为泵、风扇、压缩机、电动助力转向架以及辅助启-停系统供电。一个48V电池可以用四分之一的电流提供与12V电池同样的功率。

使用48V电池

锂离子MHEV电池规格可以是1kWh、48V或21Ah。《VDA320: Electric and Electronic Components in Motor Vehicles 48V On-Board Power Supply》文件建议电池的工作电压范围在36V和52V之间。该规范允许20V和60V之间的限制电压模式以及高达70V的动态过压。60V的最大工作电压是人类操作者允许的最大安全接触电压。

DC-DC降压转换器的稳健性

图2中的48V降压转换器可承受高达70V的尖峰电压和高达40ms的电应力。超过这个限制会导致永久性的设备损坏。因此,降压转换器的绝对最大额定输入电压需要有超过70V的裕量。

汽车电力电子需要低EMI

EMI是一种源于外部的干扰。这种耦合干扰通过电磁感应、静电耦合或传导来影响电路。汽车电源管理电子设备必须有EMI保护。

在汽车环境中,48V降压转换器必须符合EMI的CISPR25 Class 5规范。固定频率转换器通常在传导和辐射测试中衰减尖峰。可调节的DC-DC频率允许工程师在通过EMI测试时过滤特定频率。区别在于,恒定导通时间架构表现出的那些可变频率很少有良好的EMI性能。

48V前端降压转换器

汽车的许多电子控制单元 (ECU),具有良好的EMI性能。稳健的前端48V降压转换器接口能够承受电池的静态和动态电压条件。此外,该接口支持各种16V至20V的输出电压、电机控制栅极驱动器,并且在12V电池断开时提供MCU备用电源。

48V降压转换器与12V降压转换器相比,往往具有更高的开关损耗(公式1)。

PSW = ½ x C x V2 x f                               Eq. 1               

其中C是寄生电容

V是降压转换器的输出

f是作业频率

通过降低作业频率 (f),可以减少开关损耗。此外,采用具有更小最低限值的先进工艺,也可以降低寄生电容 (C)。控制技术可以帮助实现低占空比运行。例如,16V的输出和48V的输入会形成(公式2)。

D = BUCK1/ BUCK2                 Eq. 2

D = 16 / 48

D = 0.33

其中D是占空比

BUCK1和BUCK2是额定输出电压

根据这个计算,降压转换器的高压侧晶体管的导通时间占33%,而低压侧晶体管的导通时间占67%。可以按照这个计算结果来设计功率晶体管的尺寸,以获得最佳性能。

结论

硅MOSFET器件解决了高电压和成本问题。在解决了过电压不平衡问题后,串联配置的低电压功率半导体器件打造出了有效的功率转换系统解决方案,又解决了成本和效率问题。

对于汽车市场,较低额定电压的功率半导体器件因提供高效、低成本的功率转换解决方案而受益。物美价廉的低电压系列硅设计比较符合汽车环境的性价比要求。


来源:贸泽电子
作者:Bonnie Baker
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