安森美半導(dǎo)體提出輕度混合動力汽車系統(tǒng)半導(dǎo)體方案

作者：安森美半導(dǎo)體電動/混動汽車系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理John Grabowski

前言

隨著對環(huán)境和空氣質(zhì)量狀況越來越多的關(guān)注，需要解決減少車輛二氧化碳?xì)怏w排放的問題。解決此問題最好的辦法是降低車輛的平均油耗。使用混合動力汽車，而不是純內(nèi)燃機(jī)（ICE）動力汽車，是減少油耗的一種新方法。

在所有道路車輛中，牽引動力系統(tǒng)必須能夠在非常寬廣的功率和速度（通常被稱為轉(zhuǎn)矩-速度范圍）條件下運(yùn)行，混合動力系統(tǒng)的使用支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在不同的轉(zhuǎn)矩-速度范圍點(diǎn)上自由地優(yōu)化兩個電源。此電源能夠提供有益于加速的非常大的扭矩，但它只能在有限的時間內(nèi)使用。具體時間取決于電池的大小和電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩。有了高扭矩產(chǎn)生電源，可大大縮小內(nèi)燃機(jī)尺寸，從而提高燃油能效。然而，增加這種混合動力源當(dāng)然不是微不足道的工程問題，需要一種方法，包括影響許多車輛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮因素。

功能電子化一般是通過增加高壓（約350 V）電池和高性能電機(jī)直接耦合到ICE動力系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。這些‘全’混合動力汽車（HEV）一直是燃油能效車輛的定義類，從提高能效的角度，是非常有吸引力的。然而，他們增加了相當(dāng)大的成本和重量。

近年來，48V汽車系統(tǒng)架構(gòu)受到了廣泛的關(guān)注。這些系統(tǒng)可被認(rèn)為是向全混合動力汽車邁出的一步。它們通常被稱為 “輕度”混合動力汽車（MHEV）。它們由一個相對緊湊的48V電池、一臺高性能電機(jī)和多個48V電氣化子系統(tǒng)構(gòu)成。48V系統(tǒng)的較低成本更增加了它們對汽車整車廠商（OEM）的吸引力，將很快成為大多數(shù)汽車制造商產(chǎn)品組合的一部分。

輕度混合動力汽車雙電壓架構(gòu)

目前，現(xiàn)有的48V架構(gòu)有很多種，變體也在增加。大多數(shù)系統(tǒng)包括一個電池、一個起動機(jī)發(fā)電機(jī)、一個電壓轉(zhuǎn)換器，通常至少有一個48V負(fù)載。由于48V汽車仍然保留12V電池和多個12V負(fù)載，因此在可預(yù)見的未來，這些系統(tǒng)很可能會以雙電壓架構(gòu)存在。請參見圖1。

圖1.典型的48 V輕度混合動力系統(tǒng)電氣拓?fù)?/p>

使用48 V雙電壓結(jié)構(gòu)，許多新的汽車電氣配置是可能的。因?yàn)?8 V系統(tǒng)從根本上來說能夠提供更高的功率水平，所以使用新的、更高功率的子系統(tǒng)是可能的。隨著48 V系統(tǒng)的出現(xiàn)，在12 V拓?fù)渲屑?8 V電動壓縮機(jī)和48 V電動穩(wěn)定系統(tǒng)成為可能。此外，更高功率的實(shí)現(xiàn)將通過利用提高的能效促成更高動力的12 V負(fù)載遷移到48 V總線。

最初，雙電壓系統(tǒng)的12 V將保持原樣，沒有12 V交流發(fā)電機(jī)。由于唯一的電源是48 V發(fā)電機(jī)，該系統(tǒng)將需要一個轉(zhuǎn)換器，將48 V產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)移到12 V電池。這種轉(zhuǎn)換器需要緊湊、輕量級和高能效。它的設(shè)計(jì)是雙向的，這使得在高電流需求時期能結(jié)合使用兩種電池，需要在冷車啟動等情況下使用。該雙向轉(zhuǎn)換器能夠轉(zhuǎn)換來自任何一個電池的電源，并在它們之間傳輸能量。

48 V的起動發(fā)電機(jī)是主要部件。它負(fù)責(zé)產(chǎn)生汽車的所有電力并啟動汽車。此外，起動機(jī)發(fā)電機(jī)在汽車制動過程中進(jìn)行再生能量回收。在這種模式下，機(jī)器充當(dāng)發(fā)電機(jī)，向動力總成提供負(fù)扭矩，使汽車減速，并回收電池的電荷。起動發(fā)電機(jī)有許多配置和功率水平，每一個都有非常具體的汽車實(shí)施目標(biāo)。

48 V輕度混合動力汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器

雙向電源轉(zhuǎn)換器需要在兩個電池系統(tǒng)之間共享電荷，并且功率范圍通常在1kW到3kW范圍。在這種大功率范圍內(nèi)維持高能效的最流行的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多級降壓升壓轉(zhuǎn)換器。降壓拓?fù)渲С止β蕪妮^高的電壓側(cè)向下流向較低的電壓側(cè)。升壓拓?fù)渲С止β柿飨蛳喾吹姆较?。多級設(shè)計(jì)支持將多個獨(dú)立的轉(zhuǎn)換器子電路組合成單個高功率轉(zhuǎn)換器。這種多級設(shè)計(jì)支持在輕載條件下去掉（shedding）某些段。多級shedding功能通過使用一個可導(dǎo)通或關(guān)斷的輸出MOSFET以使能每一特定段實(shí)現(xiàn)。典型的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)如圖2所示。突出顯示的方框表示安森美半導(dǎo)體提供大量產(chǎn)品的領(lǐng)域。

圖2.多級DC-DC轉(zhuǎn)換器的單級拓?fù)?/p>

輕度混合動力汽車子系統(tǒng)

MHEV有各種各樣可能的48 V子系統(tǒng)，比僅使用12 V的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多可能性。MHEV上的最高功率負(fù)載是電控增壓器，稱為電動壓縮機(jī)（E-Compressor）。由于增壓器需要在幾分之一秒加速到極高的速度，它需要大量的瞬態(tài)功率。典型的增壓器驅(qū)動含由三相逆變器驅(qū)動的低慣量三相電機(jī)。峰值功率水平可達(dá)8 kW以上，盡管它的平均功率相對較低。這些寬范圍功率配置完美匹配48V系統(tǒng)，在相對較短的時間產(chǎn)生大量的功率。許多其他汽車子系統(tǒng)也非常適合48 V結(jié)構(gòu)的單相和三相配置。圖3列出了可能的48 V子系統(tǒng)。

圖3. 48V子系統(tǒng)小結(jié)

其它48 V系統(tǒng)

許多48 V子系統(tǒng)由低功耗三相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)組成。這些電機(jī)驅(qū)動器最便于通過模塊設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)。安森美半導(dǎo)體的汽車電源模塊（APM）三相模塊系列是理想的選擇。這些模塊為三相輔助電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的構(gòu)建提供了一個緊湊、高效的選擇。該模塊具有功率橋、內(nèi)部分流電阻、緩沖電容器等6個器件，并構(gòu)建在一個隔離的陶瓷基板上。為評估80V APM器件的性能，創(chuàng)建了48 V逆變器參考設(shè)計(jì)。系統(tǒng)配置和圖片如圖4所示。

圖4. 基于APM的48 V三相輔助電機(jī)驅(qū)動

它有以下特性：

• FAN08V19DB1 3相電源模塊
• 光學(xué)輸入隔離
• FAN7393 半橋門極驅(qū)動器
• 逆變直流鏈路分流放大器
• 模塊溫度轉(zhuǎn)換電路
• 基于NCV213RSQT 的過流保護(hù)
• 基于NTS 的過溫保護(hù)
• 可選的3通道電流傳感器板（通常是兩相+直流鏈路）
• 反向電池及電壓瞬態(tài)保護(hù)電路

該三相電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)在安森美半導(dǎo)體的密歇根州安阿伯電源實(shí)驗(yàn)室處于最后的測試階段。測試完成后，

安森美半導(dǎo)體將提供更多的詳細(xì)信息。

48 V 系統(tǒng)器件

安森美半導(dǎo)體提供許多適用于48 V電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的器件。這些器件的簡單分組如表1所示。我們提供各種分立和模塊化封裝的MOSFET。即使在具有較大共模電壓的設(shè)計(jì)中，我們的電流檢測放大器系列能夠?qū)⒎至麟娮桦妷恨D(zhuǎn)換成邏輯電平信號。此外，我們正不斷開發(fā)新的器件，以擴(kuò)大我們世界級的陣容。新的器件封裝也處于AEC認(rèn)證的最后階段，并將很快推出生產(chǎn)。

表1. 48 V 輕度混合動力汽車方案應(yīng)用器件

48 V子系統(tǒng)擴(kuò)展

48 V革命的一個可能的結(jié)果將是產(chǎn)生各種各樣的48 V外設(shè)。這種擴(kuò)展可能會降低48 V子系統(tǒng)的成本，并增加它們對其他高壓汽車的吸引力。如果這些外設(shè)包括在全混合動力汽車或電動汽車，它們將需要一個48 V電源，從而引入對三重電壓結(jié)構(gòu)的需要。這種架構(gòu)將為電動/混動汽車生成一種新的方案器件需求，稱為“三重電壓轉(zhuǎn)換器”。

總結(jié)

在12 V和全混合動力汽車中添加48 V系統(tǒng)將為設(shè)計(jì)人員提供實(shí)現(xiàn)當(dāng)今汽車所需的提升燃油能效的機(jī)會。這也將大大增加對新的和創(chuàng)新的電力電子電路的需求。盡管將出現(xiàn)48 V架構(gòu)的許多變體，但最終的結(jié)論將在汽車客戶權(quán)衡了特性和效益與成本之后。