在輕度混合動(dòng)力汽車中利用GaN實(shí)現(xiàn)雙電池管理

作者簡(jiǎn)介：John Grabowski：安森美半導(dǎo)體電源方案部門的首席應(yīng)用和市場(chǎng)工程師，部門位于美國(guó)密歇根州安阿伯市。John Grabowski于2007年加入安森美半導(dǎo)體，此前他曾在福特汽車公司研究實(shí)驗(yàn)室工作30年。他一直從事電路和軟件設(shè)計(jì)，應(yīng)用于電氣、混合動(dòng)力汽車和汽車動(dòng)力總成系統(tǒng)。最近，他的團(tuán)隊(duì)積極推動(dòng)將高功率半導(dǎo)體應(yīng)用于汽車電子化。

引言

為應(yīng)對(duì)氣候變化，汽車減排降油耗勢(shì)在必行。如今，許多國(guó)家/地區(qū)的法律強(qiáng)制要求汽車制造商做出這些改變。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，其中一種方式就是采用混合動(dòng)力，即在汽油或柴油車輛的傳動(dòng)鏈中添加一個(gè)由第二個(gè)電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)。

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

一種替代方案是“輕度混合動(dòng)力汽車”(MHEV)，它采用48 V小型電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，既可以實(shí)現(xiàn)更快的加速和更大的低端扭矩，同時(shí)仍能提高燃油經(jīng)濟(jì)性，并且只會(huì)適度提高成本和復(fù)雜度。輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)備受廣大消費(fèi)者的青睞，據(jù)IHS Markit分析師預(yù)測(cè)，到2025年，48 V輕度混合動(dòng)力汽車將占據(jù)混合動(dòng)力汽車銷量中的近50%。48 V系統(tǒng)的成本更低，因此也對(duì)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(dú)有的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，主要在如何在管理電池充放電循環(huán)的同時(shí)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GaN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。

1   48 V架構(gòu)

最基本的混合動(dòng)力系統(tǒng)（圖1）包括電池、集成起動(dòng)發(fā)電機(jī) (ISG) 、48 V至12 V轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)或多個(gè)48 V負(fù)載，就如一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)。由于48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)保留了12 V電池和多個(gè)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)。

圖1 48 V輕度混合動(dòng)力系統(tǒng)

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

除了沒有12 V交流發(fā)電機(jī)，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(jī)，因此需要使用雙向轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)48 V系統(tǒng)與12 V系統(tǒng)之間的電源轉(zhuǎn)換。

2   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(dòng)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(dòng)電流。通常情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)/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(shí)車輛將開始正常重新啟動(dòng)。

當(dāng)車輛達(dá)到正常溫度并正在行駛，但無需額外加速時(shí)，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(shí)，轉(zhuǎn)換器將再次切換至升壓模式，以便為ICE提供補(bǔ)充電力，降低燃油消耗和整體排放量。

3   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(jí)交錯(cuò)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(shí)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(cuò)式設(shè)計(jì)并聯(lián)連接幾個(gè)相同的轉(zhuǎn)換器相位（單相示例詳見圖2），以此充當(dāng)單個(gè)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?cái)嗦烽_關(guān)關(guān)閉一些負(fù)載，從而降低損耗，提高效率。每個(gè)相位都會(huì)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(cuò)式轉(zhuǎn)換器，而非單個(gè)大型轉(zhuǎn)換器，意味著每個(gè)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（圖3）。

圖2 雙向轉(zhuǎn)換器 - 單相

圖3 交錯(cuò)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(cè)級(jí)、主電感和負(fù)載斷路開關(guān)。

同步降壓-升壓轉(zhuǎn)換器實(shí)際上是將兩個(gè)開關(guān)電路合并成單級(jí)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(dòng)。電感電流是需要控制的主要變量，因?yàn)樗鼘?duì)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（參見圖4）。

圖4 基本的降壓-升壓轉(zhuǎn)換

4   轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

表1中概述了所需的主要電路元件。電源斷路級(jí)和負(fù)載斷路級(jí)都可使用分立式MOSFET或集成式MOSFET功率模塊。這些級(jí)的主要用途就是通過使用背靠背開關(guān)配置，將每個(gè)交錯(cuò)級(jí)的輸入和輸出分別與其他級(jí)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(dòng)電壓電勢(shì)下工作，每個(gè)器件均由具有高壓側(cè)驅(qū)動(dòng)功能的柵極驅(qū)動(dòng)器控制。MOSFET可能需要保持更長(zhǎng)時(shí)間的導(dǎo)電性，因此必須能夠100%及時(shí)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(jí)是轉(zhuǎn)換器的核心，包含兩個(gè)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(dú)封裝或聯(lián)合封裝至雙驅(qū)動(dòng)器IC中的高壓側(cè)和低壓側(cè)柵極驅(qū)動(dòng)器控制?；蛘?，可使用小型汽車功率模塊 (APM) （如圖5中所示）實(shí)現(xiàn)該級(jí)。

圖5 基于汽車功率模塊的設(shè)計(jì)

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(shí)現(xiàn)中未使用電源斷路電路；對(duì)于個(gè)別的相位隔離，可以使用負(fù)載斷路電路。

主功率電感存儲(chǔ)每個(gè)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(gè)確定電流方向的主開關(guān)。為了使該級(jí)正常運(yùn)行，必須準(zhǔn)確地測(cè)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?yàn)槠湔`差極低。

通過使用高精度分流電阻，我們可以測(cè)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(duì)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(hào)，并提供較高的共模電壓抑制比，同時(shí)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(gè)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(yùn)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)。

5   使用GaN的轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

隨著汽車應(yīng)用對(duì)尺寸和效率的要求不斷提高，寬帶隙 (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。氮化鎵 (GaN) 器件可以提高效率并縮小尺寸，同時(shí)降低系統(tǒng)總成本。

由于GaN器件可以顯著降低開關(guān)損耗，因此使用GaN的降壓轉(zhuǎn)換器可實(shí)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，GaN晶體管不存在反向恢復(fù)損耗，因此不會(huì)在硬開關(guān)轉(zhuǎn)換期間出現(xiàn)大電流尖峰和功率損耗。

6   總結(jié)

隨著大量新型輕度混合動(dòng)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(cuò)式同步降壓/升壓轉(zhuǎn)換器由于其簡(jiǎn)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(jì)為多個(gè)交錯(cuò)式相位，從而能夠在較大的工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效率。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)?2 V車輛負(fù)載會(huì)隨著時(shí)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(zhǎng)時(shí)間保持在此負(fù)載條件下。當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，轉(zhuǎn)換器將關(guān)閉不必要的交錯(cuò)式相位，以降低損耗，保持高效。

（注：本文刊登于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年11期）