混合動力汽車挑戰電源芯片與功率器件

在汽車行業的發展方向上，電動汽車(EV)和油電混合動力汽車(HEV)正成為一個明顯的趨勢。從技術角度來說，目前更為可行的是混合動力。混合動力汽車是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源(由傳統的汽油機或者柴油機出現)與電動力源(電池與電動機)的汽車。這樣汽車的動力系統可以按照整車的實際運行狀況靈活調控，幫助發動機保持在綜合性能最佳的區域內工作，從而降低油耗與尾氣排放。

關于終端消費者來說，混合動力車型已經得到越來越多的認可。從最早進入大眾視線的豐田普銳斯開始，本田思域、福特翼虎、寶馬混合動力X6、凱雷德混合動力版、保時捷混合動力版卡宴、雷克薩斯RX450H等，以及一些國產混合動力車包括奇瑞A5、長安杰勛混合動力車、比亞迪F3DM等等，都逐漸進入了市場。但是，關于半導體廠商來說，還有兩大挑戰是要長期研究的課題。

挑戰一：對鋰離子電池組安全的群體性擔憂

細數2009年幾大車展上的EV及HEV，其中一個明顯的趨勢就是采用了鋰離子電池來替代鎳氫電池，且業界普遍認為鋰離子會在2015年時占據市場主導地位。然而考慮到鋰離子電池自身的不穩定性，要精心的設計和先進的監測方法來確保安全工作。例如電池過壓會引起電池溫度的迅速升高，引發燃料泄漏的過熱失控狀態。

“縱使鋰離子電池在尺寸、重量、再充電速度、壽命周期和抵抗存儲器效應方面都具有突出的優勢，但是它們在過充狀態或深度放電過程中往往會發生過熱現象。因此，在鋰離子電池的使用中，保護和安全功能是極為重要的。”Atmel高壓產品線高級行銷經理ClausMochel指出。Atmel的鋰離子電池管理芯片組ATA6870/71集成了熱插拔功能、6個截止頻率低于30Hz的集成式模數轉換器和一個可堆疊的微控制器電源，省去了外部濾波器，較同類解決方法要的外部組件更少。

凌力爾特公司信號調理產品產品市場經理BrianBlack也持相同觀點，“混合動力型汽車與使用汽油的傳統汽車的不同之處在于混合動力型汽車使用一個大型電池組。這個電池組必須仔細管理，以最大限度地延長車輛的可行駛距離、電池組壽命、以及當然還有系統可靠性和安全性。”每個鋰離子電池組一般都由串聯連接的電池單元并聯組合而成，這樣出現的電池組將有數百伏電壓，放電電流可能超過200A。使用鋰離子電池新增了電池管理系統電路的復雜性和所需的精確度。

針對要多種電池管理功能的應用，理想的解決方法是可執行電池測量、故障檢測、溫度測量和電池容量平衡的集成式電池監視器。LTC6802能測量多達12個單獨的電池，幾個LTC6802可以疊置，用來測試>1000V的系統。在電池管理系統中，LTC6802完成繁重的模擬功能，將數字電壓和溫度測量值傳送到主處理器，用于充電狀態計算。LTC6802的高準確度、卓越的噪聲抑制、高壓容限和廣泛的自診斷功能使其非常堅固和易用。其高集成度意味著，與分立組件數據采集設計相比，客戶可以節省大量成本。由于HEV通常要數百節電池串聯供電，故障引起的后果是嚴重的：一節電池的故障可能會造成整個電池組的燃燒或爆炸。通常的保護電路大都采用多個3或4通道故障監測器，并且在監測器與模擬電路及無源器件(電阻、多路復用器等)之間采用昂貴的電流隔離器。美信的MAX11080具有12通道故障監測器，采用專有的電容隔離式菊鏈接口，大大減小了元件數量。這種獨特的架構允許連接多達31個器件至串接電池組，對多達372節電池進行監測。同時，基于電容的接口供應了成本極低的電池組間隔離，消除了級聯電氣故障。由于省去了昂貴的隔離元件，美信的方法比分立方法節省75%的空間，將典型的電池管理系統成本從250美元降低至50美元。此外，MAX11080具有業內最高的精度、極低的功耗、集成的安全和自診斷功能、以及多個可配置功能，有效解決了大容量電池組安全監控相關的問題。

相關于傳統汽車電源而言，混合動力汽車的電源功率更大，電壓更高。“關于電源管理而言，要管理的對象不是單個電源，而是由電池單元串連和并聯之后的大規模電池陣列，由于電池單體在生產的差異性導致給電源管理帶來很大的工作負擔，要對每個電池單元的健康狀況進行監控和調整。”英飛凌科技(我國)有限公司汽車電子業務部高級市場工程師曹洪宇補充道，“另外在整個系統運行過程中也要很好的處理突發的功率需求和剎車能量回饋帶來的沖擊。安全＋響應速率就決定了系統的成敗。”

由于鋰離子電池對過度充電和深度放電非常敏感，在這些情況下它們都有可能燃燒或爆炸。Atmel公司的次級保護器件ATA6871供應了一種特殊的安全策略，監控電池單元的電壓和溫度，防止鋰離子電池發生熱失控或爆炸。一旦電池單元發生上述其中一項異常情況，便會通過緊急繼動裝置予以關斷。ATA6871帶有無需外部微控制器或軟件就能夠運行的內建自我測試程序，以及由硬件實現的監控閾值，能夠供應安全級別最高的鋰離子電池監控功能。即使初級器件被損壞，也可以確保正常的運作。

對鋰離子電池組安全的群體性擔憂，促使業界研發更為精密安全的電池檢測管理芯片，汽車半導體廠商不斷地推出新的電池管理和功率解決方法，力圖在確保安全的前提下延長電池的壽命，并降低成本、體積和重量。

挑戰二：掃除高壓電氣系統的障礙

HEV設計的另一個挑戰是高電壓。傳統轎車使用的是12V的電源系統，而輕度、全面及插電式HEV卻要600V到1,200V之間的高電壓電子系統，這使設計更具挑戰性。

“HEV最重要的革命性改變是動力系統的電氣化，它要求大動力的電動引擎，并且必須在比標準12V內燃引擎推動的汽車更高的電壓下運行。另外，HEV的電池和能源管理是基于12V和一個數百伏的高電壓電池的雙電網，以及對汽車領域來說屬于嶄新設計的DC/DC轉換器和功率管理方法。”國際整流器公司(IR)汽車產品副總裁及總經理HenningM.Hauenstein博士指出：

HEV的汽車結構要使用高電壓。因此，功率管理IC必須承受典型600V的電壓水平，在一些大馬力的HEV型號中更可能要承受高達1,200V的電壓。IR有為輕型混合動力汽車供應先進的電機驅動解決方法，而那些在10-15kW范圍的動力系統電機，通常會使用擁有600V能力的產品。至于全混合動力和插電式混合動力汽車，以及那些電機高達，甚至超出100kW的電動汽車，IR有高達1,200V的開關和驅動IC供應。

相關的功率IC除了要高達600V到1,200V的高電壓能力外，也要驅動逆變器和DC/DC轉換器中前所未見的電流密度的開關。功率IC要面對這樣的高功率、高電壓以及高能源，就要以堅固耐用、可靠性和安全作為重要的條件。Hauenstein博士表示，“IR非常重視電機驅動IC的保護功能，例如它們在HEV牽引電機出現嚴重故障和短路時，免除了微型控制器的互動要。我們是業界率先為負電壓尖峰免疫性引入安全操作區指標的公司，因為這個問題在HEV逆變器中，開關高電流、高電壓IGBT時十分常見。”

IGBT位于逆變器中，為混合系統的電機供應能量。英飛凌IGBT技術可為HEV動力系統帶來諸多優勢。溝槽場終止技術可降低傳導損耗和開關損耗，同時可使尺寸縮小30%。英飛凌結合溝道場終止IGBT(絕緣柵雙極晶體管)技術和Emcon二極管技術進行開發的HybridpACK1功率模塊用于輕度混合動力汽車；HybridpACK2則完全混合動力汽車應用。

幾年前，汽車中的功率器件大多數都是55V到60V的MOSFET，重要用于汽車的動力傳動系統。現在的汽車則采用20V到600V的功率器件。關于動力轉向及制動這類應用，開發工程師正在尋找具有低導通阻抗的高性能低壓溝道型MOSFET，以降低汽車的功耗。

IR由體積最小的HEV，也就是所謂微型混合動力汽車開始，為它們的啟動/停止功能供應極為耐用的MOSFET。啟動/停止功能讓汽車在交通燈前停車或者下山時自動停止內燃引擎操作，而相關的制動能量便可以補充給電池。頻繁的引擎發動，使起動器或者集成式起動發電機要求非常耐用的功率管理方法，這是因為當你以車匙發動汽車時，普通的起動器只會發動引擎一次，但集成式起動發電機則要在頻繁的啟動/停止周期中應付高得多的功率。IR的AUIRS2003S是一款高功率MOSFET驅動器，并備有高、低側參考輸出通道，適用于惡劣的汽車環境及引擎罩下的應用。這款輸出驅動器具有高脈沖電流緩沖級，可將驅動器跨導降至最低，而浮動通道可在最高200V的高側配置中驅動一個N溝道功率MOSFET。該器件還供應低靜態電流，可為高側電路帶來低成本自舉電源。

為了滿足電池和功率管理、以及相關的DC/DC轉換器的要求，IR的HEV方法系列也包括了具備非常低EMI和優化了的開關性能的驅動器及開關。例如最新的DirectFETMOSFET產品便完全不用鍵合線，并且因為消除了大部分的寄生電感，以及具備最小的封裝電阻，所以能夠供應最佳的開關性能。除了領先行業的低導通電阻、卓越的開關性能和增強了的溫度能效(例如雙側散熱)，這款十分先進的無鍵合線芯片尺寸封裝讓設計的體積顯著減小，特別適用于高功率要求或者如HEVDC/DC轉換器這些快速開關應用。

AllegroMicroSystems公司具有故障診斷和報告功能的全橋式MOSFET預驅動器A4940，采用超小型封裝，供應靈活的輸入接口、自舉監控電路、寬泛的工作電壓(5.5至50V)和溫度(40℃至+150℃)范圍。該器件特別針對使用大功率電感負載(如：直流電刷電動機)的汽車應用而設計。

壓電噴射或高強度照明等其它應用要100V到200V的功率器件和驅動器。而點火IGBT和混合動力電動汽車在使用300V到1,000V以上的IGBT。飛兆半導體公司的柵極驅動器FAN7080x系列，讓工程師開發出在所有操作條件下更準確、精密的燃油噴射控制系統，從而提高燃油效率。這些柵極驅動器在高側和橋驅動器應用中驅動MOSFET和IGBT，如直接燃油噴射系統和電機控制。與市場上同類器件相比，它們的靜態功耗減少一半以上(靜態電流100μA比較240μA)，容許設計人員優化系統和擴大工作范圍。

絕緣柵雙極晶體管(IGBT)和功率MOSFET作為混合動力汽車的核心技術，吸引功率半導體廠商紛紛瞄準這個龐大的市場。ISuppli曾預測汽車IGBT市場有望以17.2%的年復合上升率高速發展，位居汽車電源管理器件之首，MOSFET市場上升居其次。雖然在未來幾年中混合動力車輛還將只是占據車輛市場的一小部分，但混合動力對逆變器和DC/DC的集中需求將形成市場對IGBT和功率MOSFET的巨大要。