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满足电动汽车高压功率架构的1700V SiC MOSFET

admin
2022-02-22
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标签:MOSFET

日前,Power Integrations发布了两款符合AEC-Q100标准、额定电压1700V的IC新器件。作为InnoSwitch™3-AQ产品系列的新成员,该新器件是业界首款采用碳化硅(SiC)初级开关MOSFET的汽车级开关电源IC,可提供高达70W输出功率,主要用于600V和800V纯电池和燃料电池乘用车,以及电动巴士、卡车和各种工业电源应用。

作者:Bodo’s功率系统杂志编辑部

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在此之前,PI就将许多用于消费类电子AC-DC的产品推向市场,拥有很高的市场占有率。此次,PI凭借高效功率应用能力将其AC-DC扩展到汽车应用,实现了新应用领域的突破。

对此,PI资深技术培训经理阎金光先生表示:“凭借大批量交付能力和高品质、低失效率的产品,我们将帮助客户实现汽车应用的安全性和高可靠性要求,让汽车客户放心使用我们的高品质产品。”

跟着市场发展趋势

目前,800V电池母线电压正在成为电动汽车的标准配置。多个车辆系统都可以连接到这个强大的电源,而精巧的电子控制电路只需要几伏电压即可进行工作和通信。

PI新产品主要面向电动汽车中的应急电源,之前推出的900V耐压InnoSwitch3-AQ主要应用于400V母线电压的电动乘用车。随着高端豪华车不断使用900V母线电压,对汽车级开关电源IC的要求不断提升。在同样功率条件下,提高母线电压就可以将电流做小,减少电路中的损耗。不管方式如何,内部电流都要通过导线连接,提高母线电压后,电流减小,与电流相关的导线损耗就会降低,可以用更细的导线,让整车重量和体积下降,延长续航里程。通过比较发现,与400V相比,采用900V母线电压产生的热量损耗是原来的1/5,有助于提升电动汽车的效率。

未来的汽车发展趋势是,无论乘用车、巴士还是卡车,都会往更高母线电压方向发展。之前是高端乘用车才用高母线电压,现在所有的车辆都会提高母线电压。

集成了1700V SiC MOSFET主要是为了顺应现在汽车中的母线电压越来越高的趋势,这些产品适用于600至1200V母线电压的汽车应用。除了400V和900V,还有600V母线电压,主要是一些大型公共汽车或卡车使用。因为大型车跑的路途比较远,要求充电时间短,使用600V电压输出功率会比较高。

高度集成带来诸多优势

新发布的两款器件属于InnoSwitch3-AQ产品系列,符合AEC-Q100标准,可提供高达70W的输出功率,主要用于600V和800V纯电池和燃料电池乘用车,还可用于电动巴士、电动卡车和各种工业电源应用。

新器件不仅是业界唯一一款通过AEC-Q100认证且高度集成的1700V开关IC,也是市场上唯一的SSR(次级侧稳压)方案,PI的这款方案即可满足高母线电压的应用,同时又可以利用次级稳压方式实现更精准的输出控制。

InnoSwitch IC的高度集成可将电源元件数量减少多达50%,从而节省大量电路板空间,增强系统可靠性并缓解元器件采购所面临的挑战。现在,PI屡获殊荣的InnoSwitch产品系列有高性价比硅器件、高效氮化镓(GaN)器件和高压SiC晶体管可供选择,可帮助设计人员在广泛的消费电子、计算机、通信、工业和汽车应用中优化其功率解决方案。

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值得一提的是,新器件还可以大幅简化主牵引逆变器的应急电源设计。应急电源需要随时准备在30V和1000V之间的任何电压下工作。基于SiC的InnoSwitch3-AQ器件可以轻松应对广泛的工作电压范围。

传统方案的稳压精度不高,需要加第二级稳压电路,这不仅增加了元件数目,还会影响整体电源效率。在提高母线电压的应用中,采用FluxLink(磁感耦合)可以充分保证绝缘强度,满足AEC-Q100汽车级认证,并在初级侧集成1700V碳化硅MOS管。

在分立元件方案中,有时要使用一些启动电阻,汽车应急电源一般要求60V以下能够工作,新器件的性能支持30V启动,得益于InnoSwitch3漏极自供电启动,满载输出功率可以保证在30W到70W。

此外,FluxLink的环路响应速度非常快,在电源输出端可以用更小的输出电容,进一步缩减PCB面积和成本。而大于90%的效率可以减少发热,可以不用散热片,在减小体积的同时保证可靠性。

满足应急电源的特殊要求

汽车是移动交通工具,与人的生命息息相关,出现故障或反应迟钝都会造成生命财产损失。汽车可靠性与元器件数目也有关,元件数目越多,可靠性就会下降,而以更少的元件做应急电源设计可以充分提高汽车的安全性和可靠性。

出于安全性考虑,在故障情况或撞车时,汽车不能因12V电池出现故障而产生安全问题,所以汽车对安全性、可靠性要求非常高。按照汽车应急电源功能性安全的指标要求,正常情况下是800V母线给牵引逆变器供电,12V低压电池给牵引逆变器的控制电路部分供电,一旦12V低压电池出现故障,应急电源就会开始工作,将800V母线电压降到低压,为牵引逆变器的控制电路供电。新IC采用紧凑的InSOP™-24D封装,使用FluxLink反馈链路,可以为次级侧控制提供高达5000伏有效值电压的加强绝缘。FluxLink技术可直接检测输出电压,其优势在于可提供高精度的控制以及极其快速动态响应特性。在无需借助外部电路的情况下,电源在30V输入电压下即可工作,这对满足功能安全的要求至关重要。其他保护功能包括输入欠压保护、输出过压保护和过流限制。

新器件内部还集成了同步整流和准谐振(QR)/CCM反激式控制器,可实现90%以上的效率,轻松满足最严格的OEM厂商要求。采用此方案的电源空载功耗可低于15mW,从而降低电池管理系统当中电池的自放电。

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另外,应急电源输入电压适应范围宽,必须能够在65V以下工作。InnoSwitch3-AQ IC采用InSOP-24D封装和AC-DC常见的反激电源拓扑结构,两端电压取自高压电池母线,其输出给牵引逆变器的控制电路供电。传统方案对高输入电压的应用需要相应增加一个额外的MOS管,以增加开关管的耐压,即所谓的StackFET架构。在低耐压InnoSwitch3-AQ之上再叠加另一个MOS管,而其驱动来自于分立元件搭建的电路,这样才能适应更高的母线电压。采用了单一的1700V耐压MOS管后可大大简化电路,简化方案元件数目,利于减小电源体积,提升方案可靠性。

涵盖多种应用

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据介绍,除了汽车应用,InnoSwitch3-AQ 1700V器件也适用于工业类应用,以集成解决方案取代分立的控制器加MOSFET设计,节省空间、时间和成本,同时提高可再生能源、工业电机驱动、电池储能和电表等应用的可靠性。

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