寬禁帶通往汽車電力電子系統(tǒng)之路

面向電動(dòng)汽車 (EV)、混合動(dòng)力汽車和汽油車的電力電子市場(chǎng)持續(xù)增長(zhǎng)，其中的硅 (Si) 和寬禁帶半導(dǎo)體器件，如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件，正在吸引著人們的極大興趣。

混合動(dòng)力汽車 (HEV) 電源系統(tǒng)的電壓要求從12V到800V不等，電流更是達(dá)到數(shù)百安培。

從性能上來說，寬禁帶半導(dǎo)體器件是很好的替代品，它們提供更高的擊穿電場(chǎng)、導(dǎo)熱率以及飽和電子漂移速度。但在消費(fèi)類車輛的電力電子系統(tǒng)中，它們的成本劣勢(shì)會(huì)蓋過它們的性能優(yōu)勢(shì)。

與硅 (Si) 和砷化鎵 (GaAs) 工藝相比，寬禁帶SiC或GaN器件帶來了更高的效率、開關(guān)頻率、工作溫度和工作電壓，以解決功率轉(zhuǎn)換問題。但另一方面，它們往往太過昂貴，無法用于汽車應(yīng)用。

電動(dòng)車通常就是全混合動(dòng)力汽車 (FHEV)、插電式混合動(dòng)力汽車 (PHEV) 和輕度混合動(dòng)力汽車 (MHEV) 這幾種。

普通汽車有600個(gè)MOSFET，高端汽車有100個(gè)MOSFET，而48V輕混汽車有400個(gè)MOSFET。硅MOSFET器件解決了高電壓和成本問題。在解決了過電壓不平衡問題后，串聯(lián)配置的低電壓功率半導(dǎo)體器件打造出了有效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)解決方案，又解決了成本和效率問題。

下面介紹了如何在48V MHEV中使用標(biāo)準(zhǔn)硅降壓轉(zhuǎn)換器MOSFET電路。這個(gè)48V的電池系統(tǒng)能夠承受高輸入電壓的負(fù)載突降瞬變，同時(shí)以低電磁干擾 (EMI)、低占空比和高效率運(yùn)行。

并聯(lián)MOSFET

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、泵、風(fēng)扇和車身應(yīng)用，通過48V MOSFET車輛系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用。

在這些系統(tǒng)中，MOSFET在運(yùn)行過程中會(huì)承受大量的機(jī)械應(yīng)力，因?yàn)殡S時(shí)都會(huì)發(fā)生很多的膨脹和收縮。汽車使用的材料包括銅、鋁和FR4。所有這些材料都有不同的熱膨脹系數(shù)。

主要的MOSFET器件必須從電池向系統(tǒng)傳導(dǎo)大電流。如果這些MOSFET采用并聯(lián)配置，那么系統(tǒng)就要努力使電流和溫度的不平衡得到控制（圖2）。

圖2： MHEV 48V系統(tǒng)，其中三個(gè)并聯(lián)的MOSFET在PCB面上形成一個(gè)對(duì)稱的回路。(圖源：作者）

（圖2）顯示了三個(gè)環(huán)形配置的MOSFET。在這個(gè)配置中，MOSFET的源極連接到一個(gè)星點(diǎn)。與漏極回路的對(duì)稱連接用于連接MOSFET之間的電氣和熱路徑。

MOSFET必須能夠耗散盡可能多的熱量，以優(yōu)化其性能，并使最熱MOSFET的結(jié)溫保持在175℃的最高安全溫度以下。
為此，就需要讓每個(gè)MOSFET的安裝基座與所有其他MOSFET的安裝基座都匹配，并且盡量減小基座間的熱阻。每個(gè)MOSFET對(duì)稱安裝，并且盡可能靠近導(dǎo)熱表面。

低熱阻路徑使MOSFET之間的熱量容易流動(dòng)。熱流與電流類似，因此，MOSFET的熱粘合點(diǎn)或漏極片應(yīng)在主要熱環(huán)路上。當(dāng)組內(nèi)所有MOSFET之間的熱量容易流動(dòng)時(shí)，MOSFET的安裝基座溫度就會(huì)非常穩(wěn)定。
這種安排可以實(shí)現(xiàn)更好的芯片溫度匹配，而不是平等的電流均流。

輔助48V系統(tǒng)

制動(dòng)動(dòng)作使能量從內(nèi)燃機(jī)流向48V電池，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩傳遞給作為發(fā)電機(jī)的皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機(jī)（BSG）。通過硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或MOSFET本征二極管的三相逆變器對(duì)BSG電波形整流，用直流電為48V電池充電（圖3）。

圖3：輔助48V系統(tǒng)（圖源：作者）

在啟-停期間，能量從48V電池流向BSG，充當(dāng)電機(jī)。在此期間，48V電池為BSG提供電能，并通過三相硅功率晶體管逆變器汲取電能。一個(gè)DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器將48V電壓降低到16V，為3相逆變器柵極驅(qū)動(dòng)器供電。這將為BSG提供正確的運(yùn)動(dòng)順序。

BSG將完成三項(xiàng)任務(wù)：在啟-停期間啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，通過提高扭矩改善加速性能，以及通過制動(dòng)動(dòng)作為電池充電。48V電池還為泵、風(fēng)扇、壓縮機(jī)、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向架以及輔助啟-停系統(tǒng)供電。一個(gè)48V電池可以用四分之一的電流提供與12V電池同樣的功率。

使用48V電池

鋰離子MHEV電池規(guī)格可以是1kWh、48V或21Ah?！禫DA320: Electric and Electronic Components in Motor Vehicles 48V On-Board Power Supply》文件建議電池的工作電壓范圍在36V和52V之間。該規(guī)范允許20V和60V之間的限制電壓模式以及高達(dá)70V的動(dòng)態(tài)過壓。60V的最大工作電壓是人類操作者允許的最大安全接觸電壓。

DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)健性

圖2中的48V降壓轉(zhuǎn)換器可承受高達(dá)70V的尖峰電壓和高達(dá)40ms的電應(yīng)力。超過這個(gè)限制會(huì)導(dǎo)致永久性的設(shè)備損壞。因此，降壓轉(zhuǎn)換器的絕對(duì)最大額定輸入電壓需要有超過70V的裕量。

汽車電力電子需要低EMI

EMI是一種源于外部的干擾。這種耦合干擾通過電磁感應(yīng)、靜電耦合或傳導(dǎo)來影響電路。汽車電源管理電子設(shè)備必須有EMI保護(hù)。

在汽車環(huán)境中，48V降壓轉(zhuǎn)換器必須符合EMI的CISPR25 Class 5規(guī)范。固定頻率轉(zhuǎn)換器通常在傳導(dǎo)和輻射測(cè)試中衰減尖峰?？烧{(diào)節(jié)的DC-DC頻率允許工程師在通過EMI測(cè)試時(shí)過濾特定頻率。區(qū)別在于，恒定導(dǎo)通時(shí)間架構(gòu)表現(xiàn)出的那些可變頻率很少有良好的EMI性能。

48V前端降壓轉(zhuǎn)換器

汽車的許多電子控制單元 (ECU)，具有良好的EMI性能。穩(wěn)健的前端48V降壓轉(zhuǎn)換器接口能夠承受電池的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓條件。此外，該接口支持各種16V至20V的輸出電壓、電機(jī)控制柵極驅(qū)動(dòng)器，并且在12V電池?cái)嚅_時(shí)提供MCU備用電源。

48V降壓轉(zhuǎn)換器與12V降壓轉(zhuǎn)換器相比，往往具有更高的開關(guān)損耗（公式1）。

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

其中C是寄生電容

V是降壓轉(zhuǎn)換器的輸出

f是作業(yè)頻率

通過降低作業(yè)頻率 (f)，可以減少開關(guān)損耗。此外，采用具有更小最低限值的先進(jìn)工藝，也可以降低寄生電容 (C)?？刂萍夹g(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)低占空比運(yùn)行。例如，16V的輸出和48V的輸入會(huì)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是額定輸出電壓

根據(jù)這個(gè)計(jì)算，降壓轉(zhuǎn)換器的高壓側(cè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間占33%，而低壓側(cè)晶體管的導(dǎo)通時(shí)間占67%?？梢园凑者@個(gè)計(jì)算結(jié)果來設(shè)計(jì)功率晶體管的尺寸，以獲得最佳性能。

結(jié)論

硅MOSFET器件解決了高電壓和成本問題。在解決了過電壓不平衡問題后，串聯(lián)配置的低電壓功率半導(dǎo)體器件打造出了有效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)解決方案，又解決了成本和效率問題。

對(duì)于汽車市場(chǎng)，較低額定電壓的功率半導(dǎo)體器件因提供高效、低成本的功率轉(zhuǎn)換解決方案而受益。物美價(jià)廉的低電壓系列硅設(shè)計(jì)比較符合汽車環(huán)境的性價(jià)比要求。

審核編輯：郭婷