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汽车高压辅助系统的新兴趋势及安森美对应的金太阳下载的解决方案-金太阳下载

公联号：科技风向标发布时间：2022/10/19 14:20:06 共计：2548 浏览

随着电动汽车的大力发展，对高压辅助系统如电动压缩机、电动涡轮增压、电动冷却风扇、电动泵等的需求越来越多。这些高压执行系统在电动/混动汽车(以下简称“xev”)中取代了传统的内燃机皮带驱动系统，执行着暖通空调、电池冷却循环、主动悬挂、发动机冷却及泵油等功能。

在xev的高压辅助电源系统中仍然包含12 v电源网络，为能驱动大功率负载，还需添加高压电源网络400 v或800 v。有些oem为了减小布线尺寸，还可能添加有48 v电源网络。

无论什么样的xev平台，安森美(onsemi)都能提供全面的高压辅助系统金太阳下载的解决方案，从12 v到800 v，包括各类电压和电流等级的功率模块和分立器件，易于扩展各种功率等级，从数百w到十几千w，辅以门极驱动器、电流检测运放、通用运放和比较器、反激控制器、dcdc、低压降稳压器(以下简称“ldo”)、理想二极管、can/lin、电感式位置传感器、e2prom、其它的小信号分立器件等，覆盖整个高压辅助系统，一站式方案和服务满足各种不同的设计需求。在整个高压辅助系统的应用中，安森美产品的物料单(bom)含量可以达到10~15美金左右，器件类型多达20多种。本文将回顾这些系统级应用，并介绍安森美对应的金太阳下载的解决方案和产品及其优势。

图1：安森美提供完整的高压辅助系统金太阳下载的解决方案

高压辅助系统应用概览

在xev中，高压辅助系统使用逆变器驱动辅助电机，以取代传统的皮带驱动模块。逆变器的功率及能效直接影响着系统级的性能和能效乃至xev的续航里程。逆变器将高压直流电转换成3相交流电驱动电机，同时可以通过控制逆变器输出的电压、电流和频率等来控制电机的速度、加速度和扭矩。一般用于驱动这些电机的逆变器的输出功耗需求为500 w~10 kw左右，供电电压为400 v或800 v。为提高系统性能，需要最优化逆变器模块的损耗及散热。此外，高压辅助电源中还需包含有电压、电流和温度监测、及车载网络，同时需要考虑到高压隔离。

图2：汽车高压辅助系统应用框图 (橙色代表安森美可提供的产品)

选用安森美的方案，在车辆层面能达到的优势包括：

· 对系统输入的反应速度更快，如可以更快地加速到所需的速度、可以实现高粘度液体的扭矩控制

· 可以达到更高的能效，因而在xev上相同的电池容量就能实现更长的续航里程

· aspm模块的尺寸相对分立方案要小很多，因此占用较小的车辆空间

· 功率模块的热阻相对分立方案也要更小，从而简化系统的散热设计，进一步减小整个系统的物理体积

汽车智能功率模块

针对400 v和800 v系统，安森美分别有650 v和1200 v的汽车智能功率模块(以下简称“aspm”)，都符合aqg324车规，电气上可以根据客户的功率需求集成多个大电流的igbt，布局上非常紧凑以减小整个模块的寄生电感，还能内置缓冲电路以改善emi特性，可以选择合适的rg优化di/dt和dv/dt，热阻非常低，内含隔离层，能实现较高的功率密度，且集成度非常高，内置门极驱动器、续流二极管，并具有过流关断、温度监测、欠压保护、故障输出等保护功能。从整个系统来看，aspm具有非常显著的尺寸优势，热性能和电气性能都优于分立方案，从整个系统成本来说，考虑到pcb、机械安装、质量和性能成本，系统功率越高，使用aspm模块会比分立器件更具成本优势。

650 v aspm27有v2和v3两个版本，分别使用第3代和第4代场截止沟槽技术。v3相对于v2，导通损耗和开关损耗都有所降低。安森美的650 v aspm涵盖30 a、40 a、50 a和60 a的应用，其中60 a的模块为实现大功率输出，其覆铜板(以下简称“dbc”)材料为aln，结到外壳的热阻极低。

1200 v aspm34的igbt使用的是npt trench技术，涵盖25 a、35 a和50 a的应用。同样50 a的模块其dbc材料为aln，结到外壳的热阻非常低。

aspm27和aspm34内部门极驱动器的源电流和灌电流能力分别为2 a和4a，控制频率可达到50 khz，内部集成的igbt具有低导通损耗和开关损耗的特性，能够为电机控制提供优化的dv/dt和di/dt。内部集成的续流二极管是软恢复特性，具有较好的emi性能。

1. aspm应用实例：压缩机尺寸减小

xev高压系统中电子压缩机的功率输出需达到5 kw甚至是7 kw，由于压缩机尺寸越来越小，那么要求电路板的尺寸也需较小，此外还要求散热性能好、性价比高。对于400 v系统，可选用安森美的aspm27，对于800 v系统，可选用安森美的aspm34。

下面这两个图是pcba采用三相分立方案和模块方案的尺寸对比，可以看到使用模块方案pcba尺寸可减小80%。

图3：电子压缩机采用安森美的aspm比采用分立方案显著缩减尺寸

2. aspm应用实例：变速箱油泵转向电动油泵，节省能耗

传统的变速箱机械式油泵，其动力来源于发动机，只要发动机运转，变速箱油泵就得全时运行，浪费能量。在xev中切换成电动油泵后就可以选择性地电机控制，可更大限度地节省液压系统能量消耗。

再者，变速箱油在低温下粘度很高，会造成低温下启动电流过大及启动转矩过大的问题。因此需要高压电机驱动油泵，安森美的650 v/50a aspm27模块能较好地契合此应用需求。

门极驱动器

1. 单通道

ncv57000和ncv57001是全功能型的隔离型igbt 门极驱动器，包含有负压驱动、desat检测、软关断、门极钳位、欠压检测、故障输出等功能。其中ncv57000有分开的source和sink输出引脚，而ncv57001只有单个输出引脚。

简化功能版本的igbt 门极驱动器，如ncv57080、57090、57084和57085，只包含有门极钳位或负压驱动或desat检测等，还分别有窄体和宽体版本。

非隔离型的igbt 门极驱动器ncv5700和ncv5702是全功能型的，包含有负压驱动、desat检测、门极钳位、欠压检测、故障输出等功能。ncv5701、5703和5705等是简化功能版本的非隔离型的igbt 门极驱动器。

2. 双通道

对于igbt，安森美有两类双通道的门极驱动器。其中ncv57200和ncv57201是半桥型的，只有高边驱动是隔离的，ncv57200内置死区时间。而ncv57252、ncv57255和ncv57540是双通道型，其中ncv57255是窄体的，ncv57252和ncv57540是宽体的。而ncv57540是14引脚的，去掉了中间的两个nc引脚，增加了电气间隙和爬电距离。

对于mosfet的双通道隔离门极驱动器，可以采用ncv51561a/b。对于sic mosfet的双通道隔离门极驱动器，可以采用ncv51561c/d，具有更高的欠压保护值。

模拟信号链

安森美的模拟信号链产品如通用运放、低功耗运放、精密运放、电流检测运放和比较器广泛用于汽车主动安全、自动驾驶、车身、动力总成、音频娱乐和led照明等应用，为汽车的所有电源和传感器信号调节提供低功耗和高性能的方案。

其中，高边电流检测运放有5个系列，其中ncv21x系列是26 v共模产品，ncv2167x和ncv21671系列是40 v共模产品，ncv7041和ncv703x系列是80 v共模产品，采用零漂移结构，能实现非常高的精度，允许电路中选用尽可能小的采样电阻，以降低采样电阻的损耗。零漂移结构能持续性校准偏置电压，不仅能保证较小的偏置电压，还能减小偏置电压随温度和时间的变化，提高产品整个生命周期的性能。此外，还能降低采样电阻直流电压的低频噪声。

安森美的高边电流检测运放还内部集成了增益电阻，具有非常低的温度系数，可以减小阻值随温度的变化，因此进一步提高了检测精度，另外，还具有低电流消耗、低压供电、轨到轨、非常宽的增益带宽积、多通道、封装小等特性。

对于低边电流检测，安森美提供需外置增益电阻的电流检测运放，有高精度、高增益带宽的产品，同时也提供了高性价比的产品。ncvx333系列和ncv2191x系列具有非常小的偏置电压和偏置电压漂移，ncv2191x系列同时具有高增益带宽积。

对于低成本电流检测运放有ncv2009x、2008x、2006x、2023x和2007x系列，其中ncv2023x系列的供电范围较宽，偏置电压也较小。

安森美提供6个系列的低功耗运放：ncv2009x、2008x、2006x、2003x、2007x和27x，消耗电流都不到1 ma。

隔离电源

1. 隔离辅助电源

在逆变器、辅助逆变器、车载充电器(obc)、dcdc中都需要有辅助电源，可以从高压侧取电，也可以从低压侧取电，用于生成后级的门极驱动器供电电源、运放/ivn等的供电电源。如果从高压侧取电，一般需求是输入电压范围为250 v~900 v，在48 v系统中输入电压范围为24 v~54 v，输出电压一般为15 v、20 v或24 v，输出功耗范围为15~150 w，具备2 kv~5 kv的隔离电压等级，一般使用反激拓扑实现。

如安森美的15 w隔离辅助电源方案seco-hvdcdc1362-15w-gevb，输入电压范围为250 v~900 v，输出电压为15 v，选用了初级端脉宽调制(pwm)控制器ncv1362作为反激拓扑的控制器，能提供恒定的电压和电流调节，主mos选用了1200 v 160 mohm的sic mos，可以降低损耗，提高能效。整个方案物料较少，成本最优化。当辅助电源还需要驱动额外的负载时，该15 w方案还可以扩展到40 w (seco-hvdcdc1362-40w-gevb)。

2. 辅助电源——门极驱动器电源

当前级辅助电源设计好后，门极驱动器的供电电源可由前级辅助电源的输出电压产生，范围一般为6 v~24 v。每路门极驱动器的驱动功率大约为1.5 w，对于驱动sic mosfet需要输出20 v和-5 v，对于驱动igbt需要输出15 v和-7.5 v。门极驱动器的供电电源也使用反激拓扑。如安森美的1.5 w隔离型igbt 门极驱动器供电电源方案seco-lvdcdc3064-igbt-gevb和1.5 w隔离型sic门极驱动器供电电源方案输入电压范围为6 v~18 v，输出电压分别为15 v、7.5 v/-7.5 v和20 v、5 v/ -5 v，选用了1.5 a多拓扑的ncv3064作为dcdc控制器。整个方案简单稳定可靠，外围器件数量少。

电感式位置传感

安森美的ncv77320电感式位置传感器方案，可以通过usb控制，进行灵活的编程和快速验证，为安全攸关的应用提供所需的精确位置传感。

总结

xev的辅助系统逐渐取代了传统皮带传动的机械应用。xev高压辅助模块要求跨功率层级的灵活性，同时保持系统性能和最小化热耗费和物理尺寸。安森美提供一站式方案，包括sic、igbt、超级结mosfet、 aspm、门极驱动器等，可开发出可扩展的系统，满足从12 v到800 v的应用需求，这些方案具有高能效、高功率密度和高性能及成本优势，辅以安森美的销售和技术团队支援，助力设计人员开发出同类最佳的设计。

公联号：科技风向标
邮箱：shumei.wang@dancomms.com