【導(dǎo)讀】本文探討了使用集成式動力總成解決方案通過電力電子技術(shù)加快電動汽車普及的好處。重點介紹了寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)和隔離式柵極驅(qū)動器的實施，說明動力總成集成的價值。
內(nèi)容概覽
動力總成集成對于電動車的大規(guī)模市場推廣至關(guān)重要。
1. 性能改進(jìn)：提高功率密度
帶高級診斷和保護(hù)功能的隔離式柵極驅(qū)動器實現(xiàn)集成和降低成本。
2. 寬帶隙半導(dǎo)體器件：汽車市場的顛覆性技術(shù)
將碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 用于電源開關(guān)可提高電動汽車的效率。
3. 系統(tǒng)級集成式動力總成解決方案
將動力總成集成到一個單元中，降低成本和更大限度地增加布板空間。
隨著越來越多的混合動力汽車 (HEV) 和電動汽車 (EV) 首次亮相，汽車制造商正在提高車輛動力系統(tǒng)的電氣化程度。受全球限制二氧化碳排放法規(guī)的推動，銷量每年以 20% 至 25% 的速度增長 [1]，預(yù)計到 2030 年將占汽車總銷量的 20% 至 25%[2]。此外，隨著消費者對混合動力汽車的接受程度的提高，也帶來了對性能更好、行駛里程更長的節(jié)能、堅固和緊湊型系統(tǒng)的更大需求。
該領(lǐng)域的主要顧慮之一是如何使混合動力汽車/電動汽車更實惠，促進(jìn)大眾市場的采用并解決汽車制造商當(dāng)前盈利能力不足的問題。如今，小到中型電動汽車的平均價格比同等級別的內(nèi)燃機汽車高出約 12,000 美元 [3]。
起初，人們認(rèn)為電池成本是造成價格差異的唯一原因。的確，電池成本在未來可能會大幅下降。然而，詳細(xì)的商業(yè)模式最近表明，其他選項也可以降低成本 [3] 并縮短原始設(shè)備制造商(OEM) 使混合動力汽車/電動汽車銷售實現(xiàn)盈利的時間。一種選擇是按成本設(shè)計 (DTC)，它專注于動力總成集成，即電力電子組件放置得更緊密，減少組件數(shù)量，并將它們集成到更少的盒子中。
在本白皮書中，我會介紹將 DTC 應(yīng)用于電力電子產(chǎn)品如何使OEM 能夠?qū)崿F(xiàn)大眾市場的采用。首先，我將解釋為什么電力電子技術(shù)的進(jìn)步能夠在努力降低動力總成系統(tǒng)的 DTC 的同時減輕消費者的“里程焦慮”，然后介紹旨在采用 DTC 的系統(tǒng)級集成式動力總成解決方案，并特別著重介紹優(yōu)化半導(dǎo)體集成電路 (IC) 和功率器件的內(nèi)容。
解決里程焦慮
在購買混合動力汽車和電動汽車時，里程焦慮一直是消費者最關(guān)心的問題。2020 年，市場上預(yù)計將發(fā)布幾款里程超過 200英里 [4] 的電動汽車。即使在不同的 OEM 廠商中，這些電動汽車的共同之處在于，它們都采用了全新的動力總成平臺設(shè)計，優(yōu)化了電池堆疊和封裝以實現(xiàn)高續(xù)航里程。更高的電池組堆疊轉(zhuǎn)化為更高的電壓和更大的馬力。
現(xiàn)代電動汽車的電池電壓通常約為 400V，但要獲得更大的馬力，則需要將電池電壓提高至 800V，尤其是在高端電動汽車中。更高的電壓可將相同的電流轉(zhuǎn)換為更大的馬力。電池堆疊和封裝的優(yōu)化可實現(xiàn)緊湊的空間和更低的 DTC。
此外，在同樣的功率下，更高的電壓可提高效率，因為不用使用大電流，從而可降低熱耗散。更小的電纜直徑和更低的重量反過來又降低了 DTC。
性能改進(jìn)：增強功率密度
動力總成系統(tǒng)的功效和大小確定了混合動力汽車或電動汽車的性能。功效與總體大小的比率（也稱為功率密度）是電源管理領(lǐng)域的關(guān)鍵品質(zhì)因數(shù)。目標(biāo)是實現(xiàn)更高水平的功率密度。電動汽車行業(yè)正在通過集成將該目標(biāo)擴展到動力總成系統(tǒng) – 在更緊湊的空間內(nèi)實現(xiàn)更高效率。在這種背景之下，“緊湊空間”意味著更小的印刷電路板 (PCB) 空間和外殼材料，這也對DTC 產(chǎn)生了積極的影響。
在電力電子領(lǐng)域，包括車載充電器 (OBC)、直流/直流轉(zhuǎn)換器（高電壓到低電壓）和牽引逆變器在內(nèi)的動力總成子系統(tǒng)中的拓?fù)?架構(gòu)、集成 IC 解決方案和半導(dǎo)體電源開關(guān)已經(jīng)發(fā)生了重大變化。圖 1 顯示了混合動力汽車/電動汽車中動力總成系統(tǒng)的典型方框圖。
圖 1.混合動力汽車/電動汽車中動力總成系統(tǒng)的方框圖。
下面讓我們討論一下這個變化對半導(dǎo)體電源開關(guān)的影響，以及它如何將高效電力電子架構(gòu)所需的功能集成到 IC 中。這是系統(tǒng)級集成式動力總成解決方案的基礎(chǔ)。
寬帶隙半導(dǎo)體器件：汽車市場的顛覆性技術(shù)
動力電子在試圖滿足苛刻的功率密度要求方面起著至關(guān)重要的作用。動力電子產(chǎn)品中的功率半導(dǎo)體器件必須具有以下屬性：
? 較低的功率損耗。
? 高頻運行。
? 較高的結(jié)溫。
? 高電壓運行。
? 增強的熱耗散。
與傳統(tǒng)硅基電源開關(guān)（例如，大功率硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管 (MOSFET) 和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)）相比，應(yīng)用先進(jìn)的高電壓器件（例如，為電源開關(guān)使用 SiC 和 GaN 的寬帶隙半導(dǎo)體）可使混合動力汽車/電動汽車實現(xiàn)更高的效率。
隨著功率水平升高，由于功率硅 MOSFET 或 IGBT 的最大工作溫度存在限制（稱為允許的結(jié)溫），所以它們的熱管理具有挑戰(zhàn)性。由于存在此限制，所以需要在動力總成系統(tǒng)中增加冷卻組件（例如，帶有水套的大型銅塊）-尤其是在牽引逆變器中，在這個部件中，功率水平可能會升高到 100kW 以上。增加冷卻組件會影響車輛的尺寸、重量和成本。相反，SiC 具有高得多的可容許結(jié)溫。此外，SiC 的熱導(dǎo)率比硅高兩到三倍 [4]。SiC 同時具備高結(jié)溫和高熱導(dǎo)率，無需使用大銅塊和水套，使其成為動力總成系統(tǒng)中的一種有吸引力的備選材料。因為GaN 可以從幾百千赫至兆赫范圍內(nèi)切換，所以在 OBC 和直流/直流轉(zhuǎn)換器中使用 GaN 也可以顯著減少無源元件（例如，磁性元件和電容器）。
有幾家汽車制造商已經(jīng)在其混合動力汽車/電動汽車動力總成設(shè)計中加入了寬帶隙解決方案，以實現(xiàn)更大的馬力和更高的效率以及更高的電池電壓。此外，寬帶隙解決方案通過改善熱管理和減小尺寸，可以降低 DTC。雖然現(xiàn)在的寬帶隙開關(guān)很昂貴，但隨著時間的推移，其成本會下降。在某個系統(tǒng)水平下，消除或盡量減少用于冷卻的機械塊以及用于無源元件和外殼的材料量可實現(xiàn)更低的 DTC。
用于運行電源開關(guān)的隔離式柵極驅(qū)動器 IC
動力總成系統(tǒng)架構(gòu)需要有隔離式柵極驅(qū)動器才能高效地驅(qū)動電源開關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動器從控制器將脈寬調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為選通脈沖，從而實現(xiàn)電源開關(guān)打開或關(guān)閉。由于存在與電池相關(guān)的高電壓，因此必須在控制器（初級側(cè)）和電源開關(guān)（次級側(cè)）之間進(jìn)行電隔離。
電隔離是一種隔離電氣系統(tǒng)的功能部分以防止直流電或不受控制的瞬態(tài)電流在它們之間流動的技術(shù)。但是，數(shù)據(jù)和能量確實需要通過此電隔離屏障。電容隔離是利用數(shù)字電路對傳入信號進(jìn)行編碼和解碼并使其通過隔離屏障的一種關(guān)鍵的隔離技術(shù) [5, 6]。
由于具備高數(shù)據(jù)速率和高抗噪性（高于 150V/ns 時也稱為共模瞬變抗擾度 [CMTI]），電容隔離是在隔離式柵極驅(qū)動器中實現(xiàn)隔離屏障的優(yōu)先選擇，并可以幫助實現(xiàn)寬帶隙解決方案的電勢開關(guān)能力。動力總成經(jīng)歷高水平的噪音和振動。因此，最好使用帶有 CMTI 的柵極驅(qū)動器。此外，隔離式柵極驅(qū)動器無需使用脈沖變壓器或外部分立式隔離器，因而可減小 PCB空間、降低車輛成本和重量。
隔離式柵極驅(qū)動器集成：系統(tǒng)級功能安全性和降低DTC 的一個關(guān)鍵方面
在系統(tǒng)級別，當(dāng)被視為黑盒時，動力總成系統(tǒng)有三個半導(dǎo)體器件：數(shù)字控制器（微控制器）、隔離式柵極驅(qū)動器和功率半導(dǎo)體。
除了要求高效系統(tǒng)具有關(guān)鍵功能外，隔離式柵極驅(qū)動器最近已成為主要組件，這是因為對以極高功能安全級別開發(fā)的動力總成系統(tǒng)診斷和保護(hù)的需求日益增長。監(jiān)控和保護(hù)需要智能地進(jìn)行，并且將這些功能集成到柵極驅(qū)動器中已成為一種流行的解決方案。
時基故障 (FIT) 率被認(rèn)為是實現(xiàn)更高水平的汽車安全完整性的關(guān)鍵指標(biāo)。例如，時基故障率應(yīng)小于 10 才能實現(xiàn)符合 ASILD 的系統(tǒng)；在牽引逆變器經(jīng)常會看到這樣的 ASIL 級別。牽引逆變器使電機旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使車輛的車輪移動。類似的 ASIL要求（通常是 ASIL B 或 ASIL C）現(xiàn)在也已成為 OBC 和直流/直流轉(zhuǎn)換器的要求。
圖 2.集成的優(yōu)勢。
為了實現(xiàn)盡可能更低的時基故障率，以往在系統(tǒng)中分散布置的所有診斷和保護(hù)功能現(xiàn)已集成到隔離式柵極驅(qū)動器中，如圖 2 所示。由于大大減少了組件數(shù)量和減小了 PCB 空間，因此這直接降低了 DTC。TI 最近發(fā)布了 UCC5870-Q1，它可以提供先進(jìn)水平的診斷和保護(hù)。該器件在減少組件方面具有顯著優(yōu)勢，可降低 DTC 并達(dá)到所需的 ASIL 級別，如牽引逆變器系統(tǒng)的圖 3 所示。
圖 3 UCC5870-Q1 的優(yōu)勢。
另一個想法涉及開發(fā)可以進(jìn)一步大大降低 DTC 的集成變壓器偏置電源 IC，適用于牽引逆變器、OBC 和直流/直流轉(zhuǎn)換器。
系統(tǒng)級集成式動力總成解決方案
多年來，重點一直放在動力系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的集成、減少DTC 和功率密度改進(jìn)上。通過將整個動力總成系統(tǒng)集成到一個單元中，OEM 廠商將其提高到更高水平，以進(jìn)一步降低成本，這與 IC 行業(yè)中的片上系統(tǒng)概念相似。迄今為止，第一步是將 OBC 和直流/直流子系統(tǒng)組合到一個盒子中，將牽引逆變器和直流/直流子系統(tǒng)組合到一個盒子中。無論采用哪種配置，集成式動力總成概念都可以顯著降低動力總成系統(tǒng)的整體重量、增大功率重量比、消除子系統(tǒng)之間的布線并實現(xiàn) DTC目標(biāo)。標(biāo)。研究和原型已經(jīng)將成本降低了多達(dá) 15% [7]。除了半導(dǎo)體元件級的柵極驅(qū)動器集成外，在這些子系統(tǒng)之間共享MCU 還可以進(jìn)一步降低動力總成系統(tǒng)的總成本。
動力總成集成可降低組件成本以及驗證時間，因而可為 OEM降低總擁有成本和縮短上市時間。但是，所付出的一個代價是缺乏原始設(shè)計制造采購的靈活性。
結(jié)論
混合動力汽車和電動汽車市場正在快速增長，并且似乎正通過實現(xiàn)更長的行駛里程和高性能而從最初的客戶懷疑中恢復(fù)過來。這個市場的未來增長取決于成本降低，以使消費者能夠負(fù)擔(dān)得起混合動力汽車和電動汽車，并使原始設(shè)備制造商有利可圖。
DTC 模型可實現(xiàn)降低動力總成子系統(tǒng)的電力電子中的成本。除了 SiC 和 GaN 等寬帶隙電源開關(guān)以外，隔離式柵極驅(qū)動器也已成為關(guān)鍵組件，使 OEM 可以通過組件集成來降低成本并實現(xiàn)高功能安全性級別。TI 新發(fā)布的柵極驅(qū)動器UCC5870-Q1 提供了這樣的解決方案。
將 OBC、直流/直流轉(zhuǎn)換器和牽引逆變器組合成一個解決方案的新興趨勢將這種集成概念提升到一個新高度，這既降低了成本，又有益于增大功率重量比。
其它資源
1. Anwar, Asif?；旌蟿恿ζ嚭碗妱悠嚢雽?dǎo)體技術(shù)展望：SiC 和 GaN 的作用是什么？Strategy Analytics 預(yù)測和展望，2019 年 7 月 17 日。
2. Erriquez, Mauro；Morel, Thomas；Mouliere, PierreYves；Schafer,Philip。電動汽車設(shè)計的趨勢。McKinsey &Co.，McKinsey Center for Future Mobility，2017 年 10 月 25日。
3. Baik, Yeon；Hensley, Russell；Hertzke, Patrick；Knupfer,Stefan。助力電動汽車實現(xiàn)盈利。McKinsey & Co.，McKinsey Center for Future Mobility，2019 年 3 月 8 日。
4. Sridhar, Nagarajan。碳化硅柵極驅(qū)動器 - 電力電子行業(yè)的顛覆性技術(shù)，德州儀器 (TI) 白皮書 SLYY139A，2019 年。
5. Bonifield, Tom。實現(xiàn)高質(zhì)量和可靠的高壓信號隔離。德州儀器 (TI) 白皮書，SSZY028，2017 年。
6. Sridhar, Nagarajan。隔離式柵極驅(qū)動器的影響。德州儀器(TI) 白皮書，SLYY140A，2019 年。
7. Muhlberg、Gunter、Hackmann 博士、Wilhelm、BuzziolKai。高度集成的電動動力總成，ATZ elektronik worldwide，2017 年 4 月。
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