在輕度混合動力汽車中利用功率模塊和寬禁帶實現(xiàn)雙電池管理

安森美半導(dǎo)體電源方案部門 首席應(yīng)用和市場工程師

為了應(yīng)對氣候變化，降低出行壓力，國家出臺了一系列的政策，包括實施了”國六“的排放標(biāo)準(zhǔn)，外界把”國六“排放稱作”?史上最嚴(yán)“排放標(biāo)準(zhǔn)。事實上，自從“國六”標(biāo)準(zhǔn)推行以來，很多車主表示，尾氣排放是減少了一半，但汽車動力也明顯比以前減少了，甚至油耗都增加了。汽車減排降油耗勢在必行。為實現(xiàn)這一目標(biāo)，其中一種方式就是采用混合動力，即在汽油或柴油車輛的傳動鏈中添加一個由第二個電池驅(qū)動的電動機。

傳統(tǒng)的電子化采用一個高壓電池，電壓通常在 300~400 V 之間的，耦合至高性能電動機。這些“全混合動力”汽車可顯著提高燃油效率，但也會大大增加成本和車身重量。而“插電式”混合動力汽車，即電池通過交流電源插座充電，也具有類似的缺點。

一種替代方案是“輕度混合動力汽車”(MHEV)，它采用 48 V 小型電池驅(qū)動電動機，既可以實現(xiàn)更快的加速和更大的低端扭矩，同時仍能提高燃油經(jīng)濟性，并且只會適度提高成本和復(fù)雜度。輕度混合動力系統(tǒng)的優(yōu)勢備受廣大消費者的青睞，據(jù) IHS Markit 分析師預(yù)測，到 2025 年，48 V 輕度混合動力汽車將占據(jù)混合動力汽車銷量中的近 50%。48 V 系統(tǒng)的成本更低，因此也對汽車制造商極具吸引力。

增加了 48 V 鋰離子電池意味著 MHEV 為雙電壓汽車，這也造成了其獨有的設(shè)計挑戰(zhàn)，主要在如何在管理電池充放電循環(huán)的同時維持系統(tǒng)效率。在本文中，我們將討論這些挑戰(zhàn)，并探討使用汽車功率模塊以及基于寬禁帶技術(shù)的新型寬帶隙晶體管能為功率轉(zhuǎn)換器帶來哪些益處。

48 V 架構(gòu)

最基本的混合動力系統(tǒng)（參見下方圖片）包括電池、集成起動發(fā)電機 (ISG) 、48 V 至 12 V 轉(zhuǎn)換器以及 1 個或多個 48 V 負(fù)載，就如一個穩(wěn)定系統(tǒng)。由于 48 V 輕度混合動力系統(tǒng)保留了 12 V 電池和多個 12 V 負(fù)載，所以這些系統(tǒng)將在可預(yù)見的未來繼續(xù)采用雙電壓架構(gòu)。

48 V 輕度混合動力系統(tǒng)

ISG 負(fù)責(zé)車輛的動力供應(yīng)、車輛啟動以及制動期間的能源回收。

除了沒有 12 V 交流發(fā)電機，系統(tǒng)的 12 V 電池部分保持原樣。由于 ICE 中沒有 12 V 電源發(fā)電機，因此需要使用雙向轉(zhuǎn)換器實現(xiàn) 48 V 系統(tǒng)與 12 V 系統(tǒng)之間的電源轉(zhuǎn)換。

MHEV 雙向轉(zhuǎn)換器工

該雙向轉(zhuǎn)換器具有多種工作模式。在車輛啟動期間，ISG 由 48 V 鋰離子電池供電。如果 48 V 電池電量不足或無法提供足夠的電力（例如，由于低溫），轉(zhuǎn)換器將在升壓模式下工作，利用 12 V 電池提供額外的啟動電流。通常情況下，發(fā)動機啟動 / 停止功能將被禁止，直至所有系統(tǒng)均達(dá)到正常的工作溫度，此時車輛將開始正常重新啟動。

當(dāng)車輛達(dá)到正常溫度并正在行駛，但無需額外加速時，轉(zhuǎn)換器將在降壓模式下工作，以便使用 48 V 電池為 12 V 電池充電，并為 12 V 負(fù)載供電。當(dāng)需要額外電力時，轉(zhuǎn)換器將再次切換至升壓模式，以便為 ICE 提供補充電力，降低燃油消耗和整體排放量。

轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

48 V 至 12 V 轉(zhuǎn)換器通常具有(1~3) kW 的寬功率范圍。為了在此范圍內(nèi)保持高能效，多級交錯式降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器是最受歡迎的選擇。

降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供壓降，在本例中為 48 V 至 12 V 的壓降，而升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供相反的功率轉(zhuǎn)換。同步拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在 2 種模式下使電源開關(guān)在大部分時間內(nèi)保持全開狀態(tài)，從而提高轉(zhuǎn)換器的總體效率。

多相交錯式設(shè)計并聯(lián)連接幾個相同的轉(zhuǎn)換器相位（單相示例參見下方圖片“雙向轉(zhuǎn)換器 - 單項”），以此充當(dāng)單個高功率轉(zhuǎn)換器。在重載情況下，所有相位都工作，但在輕載期間，可使用電池斷路開關(guān)關(guān)閉一些負(fù)載，從而降低損耗，提高效率。每個相位都會產(chǎn)生相位角略有不同的輸出電流，從而減少了輸出電容的紋波。使用交錯式轉(zhuǎn)換器，而非單個大型轉(zhuǎn)換器，意味著每個相位的電流都更小，從而減少電源開關(guān)、導(dǎo)體和電感上的應(yīng)力（參見下方圖片“配置中的多相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器"）。

雙向轉(zhuǎn)換器 - 單相

交錯式配置中的多相降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器

此類轉(zhuǎn)換器中的主要模塊包括電源斷路開關(guān)、降壓 - 升壓半橋、電流感測級、主電感和負(fù)載斷路開關(guān)。

同步降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器實際上是將兩個開關(guān)電路合并成單級電路。電源開關(guān)控制主能量轉(zhuǎn)換元件（電感）中的電流流動。電感電流是需要控制的主要變量，因為它對確保出色的系統(tǒng)精度至關(guān)重要。

電感電流的方向決定了電源電流方向，從而決定了接收電流的電池。系統(tǒng)控制器通過生成適當(dāng)?shù)拈_關(guān)模式來確定電流方向（參見下方圖片）。

基本的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換

轉(zhuǎn)換器設(shè)計

表 1 中概述了所需的主要電路元件。電源斷路級和負(fù)載斷路級都可使用分立式 MOSFET 或集成式 MOSFET 功率模塊。這些級的主要用途就是通過使用背靠背開關(guān)配置，將每個交錯級的輸入和輸出分別與其他級以及 48 V（源）和 12 V（負(fù)載）電池隔離開來。由于這些 MOSFET 均在浮動電壓電勢下工作，每個器件均由具有高壓側(cè)驅(qū)動功能的柵極驅(qū)動器控制。MOSFET 可能需要保持更長時間的導(dǎo)電性，因此必須能夠 100%及時導(dǎo)電。

表 1 適用于雙電壓 MHEV 系統(tǒng)的降壓 - 升壓轉(zhuǎn)換器主要功能模塊

降壓 - 升壓級是轉(zhuǎn)換器的核心，包含兩個采用半橋配置且連接至功率電感的 MOSFET 器件。這些 MOSFET 必須由可單獨封裝或聯(lián)合封裝至雙驅(qū)動器 IC 中的高壓側(cè)和低壓側(cè)柵極驅(qū)動器控制?；蛘?，可使用小型汽車功率模塊 (APM) （參見下方圖片）實現(xiàn)該級。

基于汽車功率模塊的設(shè)計

安森美半導(dǎo)體的這款集成式功率模塊采用符合 AEC 要求的小型封裝，具有低熱阻、低內(nèi)部電阻和更高的 EMI 性能。該實現(xiàn)中未使用電源斷路電路；對于個別的相位隔離，可以使用負(fù)載斷路電路。

主功率電感存儲每個轉(zhuǎn)換器相位的能量，并將傳輸至任一電池。轉(zhuǎn)換器控制器負(fù)責(zé)控制兩個確定電流方向的主開關(guān)。為了使該級正常運行，必須準(zhǔn)確地測量電流，以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整主電感電流。最好使用基于分流電阻的電流感應(yīng)放大器，因為其誤差極低。

通過使用高精度分流電阻，我們可以測量非常小的差分電壓，通常為幾十或幾百 mV，而分流電壓本身可以在 0~48 V 對地電壓之間變化。這種巨大的差異意味著，放大器必須放大較小的差分信號，并提供較高的共模電壓抑制比，同時能夠耐受高達(dá) 80 V 的瞬變電壓。因此，必須小心地選擇 3 個放大器規(guī)格：

●? ?共模電壓范圍（越寬越好）；

●? ?輸入失調(diào)電壓（越小越好）；

●? ?共模抑制比（越高越好）。

在傳統(tǒng)的運算放大器中，輸入端電壓限制在供電軌電壓±0.6 V 的范圍內(nèi)，因此大大限制了共模電壓范圍。近年來，專用的電流感應(yīng)放大器提供了更大的共模電壓范圍，高達(dá) 80 V。它們還提供高精度、低至 10 μV 的失調(diào)電壓，能支持準(zhǔn)確度高且快速的電流監(jiān)控系統(tǒng)。

使用寬禁帶的轉(zhuǎn)換器設(shè)計

隨著汽車應(yīng)用對尺寸和效率的要求不斷提高，寬禁帶 (WBG) 器件（如安森美半導(dǎo)體的產(chǎn)品）成為標(biāo)準(zhǔn)硅器件的替代品。寬禁帶器件可以提高效率并縮小尺寸，同時降低系統(tǒng)總成本。

由于寬禁帶器件可以顯著降低開關(guān)損耗，因此使用寬禁帶的降壓轉(zhuǎn)換器可實現(xiàn)數(shù)倍于典型硅功率晶體管的轉(zhuǎn)換速度，從而最大限度地減少了頻率范圍內(nèi)可能影響 AM 無線電接收的電磁干擾。此外，寬禁帶晶體管不存在反向恢復(fù)損耗，因此不會在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)大電流尖峰和功率損耗。

總結(jié)

隨著大量新型輕度混合動力汽車的普及，越來越多的汽車配備了 48 V 電池子系統(tǒng)，從而需要使用 48 V 至 12 V 轉(zhuǎn)換器。雖然可以使用許多不同的轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但雙向交錯式同步降壓 / 升壓轉(zhuǎn)換器由于其簡單高效性而成為使用最廣泛的結(jié)構(gòu)。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以設(shè)計為多個交錯式相位，從而能夠在較大的工作范圍內(nèi)實現(xiàn)高效率。這一點非常重要，因為 12 V 車輛負(fù)載會隨著時間推移出現(xiàn)非常大的變化，即使轉(zhuǎn)換器需要能夠在最大負(fù)載條件下工作，但它卻很少長時間保持在此負(fù)載條件下。當(dāng)負(fù)載較輕時，轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉不必要的交錯式相位，以降低損耗，保持高效。