【導(dǎo)讀】本文探討了使用集成式動(dòng)力總成解決方案通過電力電子技術(shù)加快電動(dòng)汽車普及的好處。重點(diǎn)介紹了寬帶隙半導(dǎo)體開關(guān)和隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器的實(shí)施，說明動(dòng)力總成集成的價(jià)值。
內(nèi)容概覽
動(dòng)力總成集成對(duì)于電動(dòng)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(jí)診斷和保護(hù)功能的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器實(shí)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(dòng)汽車的效率。
3. 系統(tǒng)級(jí)集成式動(dòng)力總成解決方案
將動(dòng)力總成集成到一個(gè)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(dòng)力汽車 (HEV) 和電動(dòng)汽車 (EV) 首次亮相，汽車制造商正在提高車輛動(dòng)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(dòng)，銷量每年以 20% 至 25% 的速度增長 [1]，預(yù)計(jì)到 2030 年將占汽車總銷量的 20% 至 25%[2]。此外，隨著消費(fèi)者對(duì)混合動(dòng)力汽車的接受程度的提高，也帶來了對(duì)性能更好、行駛里程更長的節(jié)能、堅(jiān)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(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車更實(shí)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(dòng)汽車的平均價(jià)格比同等級(jí)別的內(nèi)燃機(jī)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(jià)格差異的唯一原因。的確，電池成本在未來可能會(huì)大幅下降。然而，詳細(xì)的商業(yè)模式最近表明，其他選項(xiàng)也可以降低成本 [3] 并縮短原始設(shè)備制造商(OEM) 使混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車銷售實(shí)現(xiàn)盈利的時(shí)間。一種選擇是按成本設(shè)計(jì) (DTC)，它專注于動(dòng)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(huì)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(dòng)力總成系統(tǒng)的 DTC 的同時(shí)減輕消費(fèi)者的“里程焦慮”，然后介紹旨在采用 DTC 的系統(tǒng)級(jí)集成式動(dòng)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(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車時(shí)，里程焦慮一直是消費(fèi)者最關(guān)心的問題。2020 年，市場上預(yù)計(jì)將發(fā)布幾款里程超過 200英里 [4] 的電動(dòng)汽車。即使在不同的 OEM 廠商中，這些電動(dòng)汽車的共同之處在于，它們都采用了全新的動(dòng)力總成平臺(tái)設(shè)計(jì)，優(yōu)化了電池堆疊和封裝以實(shí)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(dòng)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(dòng)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(shí)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?yàn)椴挥檬褂么箅娏?，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(qiáng)功率密度
動(dòng)力總成系統(tǒng)的功效和大小確定了混合動(dòng)力汽車或電動(dòng)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(shí)現(xiàn)更高水平的功率密度。電動(dòng)汽車行業(yè)正在通過集成將該目標(biāo)擴(kuò)展到動(dòng)力總成系統(tǒng) – 在更緊湊的空間內(nèi)實(shí)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(duì)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(dòng)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(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中動(dòng)力總成系統(tǒng)的典型方框圖。
圖 1.混合動(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車中動(dòng)力總成系統(tǒng)的方框圖。
下面讓我們討論一下這個(gè)變化對(duì)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(jí)集成式動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(yùn)行。
? 較高的結(jié)溫。
? 高電壓運(yùn)行。
? 增強(qiáng)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(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車實(shí)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(dòng)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(gè)部件中，功率水平可能會(huì)升高到 100kW 以上。增加冷卻組件會(huì)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(shí)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(dòng)力總成系統(tǒng)中的一種有吸引力的備選材料。因?yàn)镚aN 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(dòng)力汽車/電動(dòng)汽車動(dòng)力總成設(shè)計(jì)中加入了寬帶隙解決方案，以實(shí)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(shí)間的推移，其成本會(huì)下降。在某個(gè)系統(tǒng)水平下，消除或盡量減少用于冷卻的機(jī)械塊以及用于無源元件和外殼的材料量可實(shí)現(xiàn)更低的 DTC。
用于運(yùn)行電源開關(guān)的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器 IC
動(dòng)力總成系統(tǒng)架構(gòu)需要有隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器才能高效地驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器從控制器將脈寬調(diào)制信號(hào)轉(zhuǎn)換為選通脈沖，從而實(shí)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(jí)側(cè)）和電源開關(guān)（次級(jí)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(dòng)的技術(shù)。但是，數(shù)據(jù)和能量確實(shí)需要通過此電隔離屏障。電容隔離是利用數(shù)字電路對(duì)傳入信號(hào)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(shí)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(dòng)器中實(shí)現(xiàn)隔離屏障的優(yōu)先選擇，并可以幫助實(shí)現(xiàn)寬帶隙解決方案的電勢開關(guān)能力。動(dòng)力總成經(jīng)歷高水平的噪音和振動(dòng)。因此，最好使用帶有 CMTI 的柵極驅(qū)動(dòng)器。此外，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器集成：系統(tǒng)級(jí)功能安全性和降低DTC 的一個(gè)關(guān)鍵方面
在系統(tǒng)級(jí)別，當(dāng)被視為黑盒時(shí)，動(dòng)力總成系統(tǒng)有三個(gè)半導(dǎo)體器件：數(shù)字控制器（微控制器）、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)器最近已成為主要組件，這是因?yàn)閷?duì)以極高功能安全級(jí)別開發(fā)的動(dòng)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(dòng)器中已成為一種流行的解決方案。
時(shí)基故障 (FIT) 率被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)更高水平的汽車安全完整性的關(guān)鍵指標(biāo)。例如，時(shí)基故障率應(yīng)小于 10 才能實(shí)現(xiàn)符合 ASILD 的系統(tǒng)；在牽引逆變器經(jīng)常會(huì)看到這樣的 ASIL 級(jí)別。牽引逆變器使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使車輛的車輪移動(dòng)。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(shí)現(xiàn)盡可能更低的時(shí)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(dòng)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(jí)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(gè)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(jí)集成式動(dòng)力總成解決方案
多年來，重點(diǎn)一直放在動(dòng)力系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)的集成、減少DTC 和功率密度改進(jìn)上。通過將整個(gè)動(dòng)力總成系統(tǒng)集成到一個(gè)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(gè)盒子中，將牽引逆變器和直流/直流子系統(tǒng)組合到一個(gè)盒子中。無論采用哪種配置，集成式動(dòng)力總成概念都可以顯著降低動(dòng)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(shí)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(jí)的柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)力總成系統(tǒng)的總成本。
動(dòng)力總成集成可降低組件成本以及驗(yàn)證時(shí)間，因而可為 OEM降低總擁有成本和縮短上市時(shí)間。但是，所付出的一個(gè)代價(jià)是缺乏原始設(shè)計(jì)制造采購的靈活性。
結(jié)論
混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車市場正在快速增長，并且似乎正通過實(shí)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(gè)市場的未來增長取決于成本降低，以使消費(fèi)者能夠負(fù)擔(dān)得起混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車，并使原始設(shè)備制造商有利可圖。
DTC 模型可實(shí)現(xiàn)降低動(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)高功能安全性級(jí)別。TI 新發(fā)布的柵極驅(qū)動(dòng)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(gè)解決方案的新興趨勢將這種集成概念提升到一個(gè)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。混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車半導(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(dòng)汽車設(shè)計(jì)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(dòng)汽車實(shí)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(dòng)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和可靠的高壓信號(hào)隔離。德州儀器 (TI) 白皮書，SSZY028，2017 年。
6. Sridhar, Nagarajan。隔離式柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)動(dòng)力總成，ATZ elektronik worldwide，2017 年 4 月。
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