【導讀】多年來，Power Integrations（PI）不斷將許多用于消費類電子AC-DC的產品推向市場，數(shù)量和占有率相當可觀?，F(xiàn)在，憑借長期致力于高效功率應用的能力，PI又將其AC-DC擴展到汽車類應用，特別是輕型電動汽車高壓功率架構，這對PI來說可是一個新的應用領域。
PI資深技術培訓經理閻金光先生表示：“我們希望利用大批量交付能力和高品質、低失效率（PPM）產品，實現(xiàn)汽車應用的安全性和非常高的可靠性要求。將消費類電子AC-DC的應用經驗應用到新的領域，讓汽車客戶放心使用PI的高品質產品?！?/p>
新產品的幾個第一
內部集成1700V碳化硅（SiC）MOSFET的兩款汽車級高壓開關IC屬于InnoSwitch?3-AQ（AQ表示汽車認證產品）產品系列陣容，是業(yè)界首款采用碳化硅初級開關MOSFET的汽車級開關電源IC，不僅能顯著減少元件數(shù)量，還可大幅提高電動汽車和工業(yè)應用的效率。
新發(fā)布的兩款器件（INN3947CQ和INN3949CQ）為InnoSwitch?3-AQ系列增加了符合AEC-Q100標準的產品，可提供高達70W的輸出功率，主要用于600V和800V純電池和燃料電池乘用車，還可以用于電動巴士、電動卡車和各種工業(yè)電源應用。
新器件不僅是業(yè)界唯一通過AEC-Q100認證且高度集成的1700V開關的IC，而且目前市場上沒有可以與其相匹敵的SSR（次級反饋）方案。PI是唯一一家既可以做高壓輸入高母線電壓應用，同時又實現(xiàn)次級電壓精準控制方案的公司。
另一個第一是，在之前PI的所有系列產品中，干脆就沒有看到過SiC這三個字母，現(xiàn)在的新產品是PI第一款集成的碳化硅器件。
為什么推出高耐壓產品？
閻金光介紹說，新產品的主要用途是電動汽車應急電源，集成1700V碳化硅MOSFET主要是為了順應現(xiàn)在汽車母線電壓越來越高的趨勢，這些產品適用于600V至1200V母線電壓汽車應用，完全是趨勢使然。
他表示，以前PI曾推出過900V耐壓的InnoSwitch3-AQ，其主要應用是400V母線電壓的電動乘用車。隨著高端豪華車，如保時捷、奧迪、Lucid Air使用了900V母線電壓，對汽車級開關電源IC的要求不斷提升。由于功率等于電壓×電流，在同樣功率下，提高母線電壓就可以將電流做小，減小電流就可以減少電路損耗。內部電流無論怎么流動，都要通過導體、導線連接，而電阻上的損耗等于I2×電阻值，所以在同樣功率情況下提高母線電壓電流減小，與電流相關的導線損耗就會降低，可以用更細的導線，整車重量和體積都會下降，對續(xù)航里程非常有幫助。比較表明，與400V相比，采用900V母線電壓產生的熱量損耗是原來的1/5，大大提升了電動汽車的效率。
另外，提高母線電壓可以大幅縮短電池充電時間。一年半之前的預測顯示，大概有20%的車會改為900V母線電壓，現(xiàn)在已經大概有50%甚至以上的新車型都在采用900V的母線電壓。以后的趨勢甚至會有1000V到1200V母線電壓的電動汽車上市。
如何滿足應急電源特殊要求？
閻金光指出，應急電源對開關管耐壓有更高的要求，這也是發(fā)布一款1700V碳化硅MOSFET的原因。在應急電源中，不僅要適應更高的輸入母線電壓，同時還要保證在30VDC時也能夠正常工作，這是汽車應急電源功能性安全的指標要求。也就是說，正常情況下是800V母線給牽引逆變器供電，12V低壓電池給牽引逆變器的控制電路供電，一旦12V電池出現(xiàn)故障，應急電源就要開始工作，其目的是將800V母線電壓降到低壓，為牽引逆變器驅動及其它控制電路供電。
出于安全性考慮，作為移動交通工具，汽車在故障情況或撞車時，不能因12V電池壞掉而產生安全性問題，所以汽車對安全性、可靠性的要求非常高。應急電源輸入電壓適應范圍很寬，要求必須能夠在母線電壓低于60V時仍能提供控制電路所需的功率。
InnoSwitch3-AQ IC采用InSOP-24D封裝和AC-DC常見的反激電源拓撲結構，兩端電壓接電池母線，其輸出為牽引逆變器驅動及其它控制電路。在傳統(tǒng)方案中，對這么高的輸入電壓（1200V母線電壓），要相應增加MOS管的耐壓。所以，對應高母線電壓應用是使用StackFET，在低耐壓InnoSwitch3-AQ上再疊加另一個MOS管，目的是通過串聯(lián)增加耐壓。但是要開通上面的管子，還要加一些額外電路?，F(xiàn)在有了1700V的InnoSwitch3-AQ，就不需要再加這些額外的MOS管和相應的驅動電路。
跟以前StackFET架構相比，其最大的不同是在原來比較精簡的電路基礎上進一步減少了外圍元件。
AC-DC應用設計要考慮什么？
回到AC-DC應用，目前車用市場上有兩種母線電壓：400V和800V。400V低端車用的比較多，是標稱電壓，最低電壓可能到320V?，F(xiàn)在，所有電動汽車制造廠商都在盡量提高電壓，目的是減小電流，降低損耗，400V范圍在380V到450V之間，而800V最高電壓會達到950V。
這是怎么計算的？閻金光解釋說，以800V電壓為例，在電動汽車踩剎車時，母線兩端就會出現(xiàn)反向電動勢；電動汽車充電時充電電壓也肯定比電池兩端電壓高，一般要留15%裕量，所以800V母線電壓×15%等于920V。在做反激電源設計時，還要考慮輸出反射電壓及漏感的影響，因為MOS管除了承受輸入電壓外，還要承受變壓器繞組上的反射電壓。反射電壓一般是按照正常匝數(shù)比設計的，可能在120V左右。所以，MOS管關斷時，920V最大值再加上120V，其兩端電壓可達1040V。
設計還要留一定裕量，比如80%的降額，把降額算進去，1040V的耐壓要達到1300V。對應標稱900V母線電壓，在MOS管兩端真正呈現(xiàn)的電壓會達到1300V。所以市場上以前的方案往往是選用耐壓為1500V的汽車認證MOS管來做高輸入母線電壓應用。
PI現(xiàn)在采用1700V碳化硅MOS管，裕量沒有問題，即使將來母線電壓升高到1200V、1500V，也可以用現(xiàn)在的1700V碳化硅MOS管。在InnoSwitch3-AQ中，初級和次級側分別有兩個控制器。控制器是以次級側控制器作為主控制器，即初級MOS管的開通來自于次級側控制器的指令。初級側控制器收到次級側控制指令后MOS管開通。開通后的關斷由初級側控制來執(zhí)行，當開關管達到一定峰值電流后，初級側MOSFET關斷。
為了提升效率，在次級側有同步整流驅動，它來自于次級側控制器。如果用分立元件做，在次級側往往有另一個獨立的同步整流控制器。這種獨立的控制器可能會在一些故障情況下出現(xiàn)不應有的驅動脈沖，使開關管誤開通。PI用同一個控制器來控制初級側功率管，也控制次級側同步整流管，就可以將這兩個管做到非此即彼，不會出現(xiàn)共同導通現(xiàn)象。這是與分立元件相比的優(yōu)勢所在，而共同導通是反激電源中不能接受的。
幾乎成為標配的FluxLink?
同步整流可以提高效率，由于是次級側電壓檢測，所以輸出非常精確。當然，初級和次級之間不需要加光耦器，而是用PI之前許多產品中都有的FluxLink?磁感耦合方式進行通信。
閻金光這樣解釋，在汽車應用中，很多汽車制造廠商不喜歡用光耦器，這是因為光耦器會隨著溫度和使用壽命延長發(fā)生傳輸特性的變化。其安全可靠性難以滿足汽車這類有很高安全性要求的應用。所以，很多方案都是用PSR來做，即初級側恒壓。實際上PSR的輸出穩(wěn)壓精度沒有那么高，因為它是通過初級側偏置繞組進行檢測，采用SSR時輸出電壓、電流都是次級側直接檢測，相對初級穩(wěn)壓電路工作方式，可以達到更高的精度。精度的增加極大地節(jié)省了整個系統(tǒng)的成本。
傳統(tǒng)方式下，如果穩(wěn)壓精度不高，就會加第二級穩(wěn)壓電路，不但會增加元件數(shù)目，還會影響整體電源效率。在提高母線電壓的應用中，采用FluxLink?可以充分保證絕緣強度，滿足AEC-Q100汽車級認證，并在初級側集成1700V碳化硅MOS管。
在分立元件方案中，有時會加一些啟動電阻來控制啟動，汽車應急電源一般要求60V以下能夠工作，而新器件的性能優(yōu)勢是支持30V啟動。得益于InnoSwitch3漏極自供電啟動，滿載輸出功率可以保證在30W到70W。
應急電源輸出是為后面的牽引逆變器驅動及其它控制電路供電，包括有源短路電路和一些主動放電電路。因為800V只給牽引逆變器母線（電機）供電，但電機下面的驅動電壓，包括汽車中控制電路的一些電壓都比較低，要靠12V母線供電；而在12V電池組壞掉時，要由應急電源供電。采用1700V耐壓碳化硅后，可以將電源元件數(shù)目縮減50%，把PCB板面積做得很小，電路所占空間的減小有利于使用更小的金屬外殼，減輕整車的重量，增大續(xù)航力。
汽車不像消費類電子，與人的生命息息相關，出現(xiàn)故障或反應遲鈍都會造成生命財產危險。汽車可靠性與元器件數(shù)目有很大關系，元件數(shù)目多，可靠性就會下降，而用更少的元件設計應急電源可以充分提高汽車的安全性和可靠性。
調整率方面，輸出電壓可以做到正負2%精度，因為次級側電壓檢測精度更高，可以節(jié)省一些后級DC-DC電路，降低成本和元件數(shù)目。FluxLink?的環(huán)路響應速度非?？欤锰幨禽敵龆丝梢杂酶〉妮敵鲭娙?。雖然輸出電容越大動態(tài)響應越好，但增加電容就會使PCB面積增大，成本也會增加。而且，大于90%的效率可以減少發(fā)熱，效率高就可以不用散熱片。加散熱片涉及固定、震動，都會對可靠性產生影響，體積也不能做得很小。
所有汽車廠商都有最低效率要求，汽車不是總在最大負載下工作，速度比較慢時負載就比較輕，所以輕載效率對整個汽車的續(xù)航力也有影響。根據(jù)控制方式，在不同負載情況下，新器件都可以保持電源效率恒定。
另外，汽車長期不開母線電池也會供電，如果電源功耗比較高，電池自放電就很嚴重，會影響電池續(xù)航能力，所以電源空載功耗對電池自放電有影響。新器件的空載功耗可以做到小于15mW。
從系統(tǒng)層面看，穩(wěn)壓精度高就不需要后級的DC-DC穩(wěn)壓電路，三相牽引逆變器有6個開關管，下管驅動的DC-DC電路可以省掉。在反激電源中還可以做多路輸出，滿足各個子系統(tǒng)的不同輸出電壓需求。
相見恨晚
閻金光說，在汽車設計驗證期間，要求凡是連接至高壓母線的元器件都要進行長時間的安全測試，包括開路、短路，因為母線電壓很高，如果連接母線電壓的元器件有問題造成電池短路，那將是災難性的后果。應急電源中采用了1700V碳化硅開關管后，方案元件數(shù)目大幅度縮減，就沒有很多元器件連接到母線電壓，這樣就大大縮短了汽車認證期間的驗證時間，同時保護特性也都集成在IC內部，很受客戶歡迎。
某些電動車設計廠商客戶剛開始拿到Demo板時，都不太相信有這樣的方案；做了測試后覺得確實不錯，都有相見恨晚的感覺。因為在市場上很少有既有很高耐壓的MOS管，又做到次級側SSR穩(wěn)壓調整的產品?，F(xiàn)在，用兩個額定耐壓1700V的新型號器件就可以輸出50W和70W不同應急電源功率。以前的器件有700V、750V和900V，現(xiàn)在可以涵蓋所有電動汽車系統(tǒng)電壓，無論是400V、800V或將來的1200V、1500V母線電壓。
除了滿足汽車認證的產品型號以外，PI也在一些非汽車認證產品內部集成了1700V碳化硅MOS管，主要用在交流輸入電壓比較高（600Vac到1000Vac）的工業(yè)應用，如機器人、電焊機、三相電表和工業(yè)電機。
1700V InnoSwitch3-AQ有兩款參考設計，DER-913Q-INN3947CQ和RDK-919Q-INN3949CQ，前者輸出功率是35W，后者是60W，分別采用平面變壓器和普通變壓器的設計。兩款設計的效率均做到90%以上。元件數(shù)目僅有40幾個，相對于傳統(tǒng)方案100多個元件的設計大大縮減。
趨勢最重要
以前在談到汽車母線電壓時經常提到的是400V或800V，這個主要是對常見的乘用車而言。其實對于大馬力的巴士車和卡車來講，舊有設計經常使用的母線電壓為600V。這些車型往往連續(xù)使用時間比較長，載重量大且要求更短的充電時間。對于這類高母線電壓的應用，新器件都可以覆蓋。
未來的趨勢是，無論乘用車、巴士還是卡車，都會往更高母線電壓的方向發(fā)展。當然，母線電壓可以來自于純電池，也可以是燃料電池，以前是高端乘用車才用高母線電壓，現(xiàn)在所有車輛都會把母線電壓提高。PI此時涉足這一市場可謂正是時候。
來源：功率系統(tǒng)設計，
作者：PSDC主編 劉洪
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