在汽車行業(yè)的發(fā)展方向上擅揖，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藏估。從技術(shù)角度來說，目前更為可行的是混合動力劫瞳√惹保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(tǒng)的汽油機(jī)或者柴油機(jī)產(chǎn)生)與電動力源(電池與電動機(jī))的汽車。這樣汽車的動力系統(tǒng)可以按照整車的實(shí)際運(yùn)行狀況靈活調(diào)控志于，幫助發(fā)動機(jī)保持在綜合性能最佳的區(qū)域內(nèi)工作，從而降低油耗與尾氣排放废睦。

    對于終端消費(fèi)者來說伺绽，混合動力車型已經(jīng)得到越來越多的認(rèn)可。從最早進(jìn)入大眾視線的豐田普銳斯開始嗜湃，本田思域奈应、福特翼虎、寶馬混合動力X6、凱雷德混合動力版杖挣、保時捷混合動力版卡宴肩榕、雷克薩斯RX450H等，以及一些國產(chǎn)混合動力車包括奇瑞A5惩妇、長安杰勛混合動力車株汉、比亞迪F3DM等等，都逐漸進(jìn)入了市場撤掀。但是，對于半導(dǎo)體廠商來說拂谆，還有兩大挑戰(zhàn)是需要長期研究的課題屿帕。

    挑戰(zhàn)一：對鋰電池組安全的群體性擔(dān)憂

    細(xì)數(shù)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姓纲，且業(yè)界普遍認(rèn)為鋰離子會在2015年時占據(jù)市場主導(dǎo)地位盗晓。然而考慮到鋰離子電池自身的不穩(wěn)定性，需要精心的設(shè)計(jì)和先進(jìn)的監(jiān)測方案來確保安全工作愕啰。例如電池過壓會引起電池溫度的迅速升高待讲，引發(fā)燃料泄漏的過熱失控狀態(tài)。

    “縱使鋰離子電池在尺寸秃标、重量殃烤、再充電速度、壽命周期和抵抗存儲器效應(yīng)方面都具有突出的優(yōu)勢篡话，但是它們在過充狀態(tài)或深度放電過程中往往會發(fā)生過熱現(xiàn)象情誊。因此，在鋰離子電池的使用中镰矿，保護(hù)和安全功能是極為重要的琐驴。”Atmel高壓產(chǎn)品線高級行銷經(jīng)理ClausMochel指出秤标。Atmel的鋰離子電池管理芯片組ATA6870/71集成了熱插拔功能绝淡、6個截止頻率低于30Hz的集成式模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個可堆疊的微控制器電源，省去了外部濾波器苍姜，較同類解決方案需要的外部組件更少牢酵。

    凌力爾特公司信號調(diào)理產(chǎn)品產(chǎn)品市場經(jīng)理BrianBlack也持相同觀點(diǎn)，“混合動力型汽車與使用汽油的傳統(tǒng)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衙猪。這個電池組必須仔細(xì)管理馍乙，以最大限度地延長車輛的可行駛距離、電池組壽命垫释、以及當(dāng)然還有系統(tǒng)可靠性和安全性丝格〕徘疲”每個鋰離子電池組一般都由串聯(lián)連接的電池單元并聯(lián)組合而成，這樣產(chǎn)生的電池組將有數(shù)百伏電壓显蝌，放電電流可能超過200A预伺。使用鋰離子電池增加了電池管理系統(tǒng)電路的復(fù)雜性和所需的精確度。

    針對需要多種電池管理功能的應(yīng)用惨浩，理想的解決方案是可執(zhí)行電池測量早斯、故障檢測、溫度測量和電池容量平衡的集成式電池監(jiān)視器邪涕。LTC6802能測量多達(dá)12個單獨(dú)的電池茄溢，幾個LTC6802可以疊置，用來測試>1000V的系統(tǒng)椭集。在電池管理系統(tǒng)中蝉狭，LTC6802完成繁重的模擬功能，將數(shù)字電壓和溫度測量值傳送到主處理器咳龄，用于充電狀態(tài)計(jì)算撞恰。LTC6802的高準(zhǔn)確度、卓越的噪聲抑制迎反、高壓容限和廣泛的自診斷功能使其非常堅(jiān)固和易用审服。其高集成度意味著，與分立組件數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)相比旷似，客戶可以節(jié)省大量成本烤惊。

    由于HEV通常需要數(shù)百節(jié)電池串聯(lián)供電，故障引起的后果是嚴(yán)重的：一節(jié)電池的故障可能會造成整個電池組的燃燒或爆炸吁朦。通常的保護(hù)電路大都采用多個3或4通道故障監(jiān)測器柒室，并且在監(jiān)測器與模擬電路及無源器件(電阻、多路復(fù)用器等)之間采用昂貴的電流隔離器逗宜。美信的MAX11080具有12通道故障監(jiān)測器雄右，采用專有的電容隔離式菊鏈接口，大大減小了元件數(shù)量纺讲。這種獨(dú)特的架構(gòu)允許連接多達(dá)31個器件至串接電池組擂仍，對多達(dá)372節(jié)電池進(jìn)行監(jiān)測。同時熬甚，基于電容的接口提供了成本極低的電池組間隔離逢渔，消除了級聯(lián)電氣故障。由于省去了昂貴的隔離元件则涯，美信的方案比分立方案節(jié)省75%的空間复局，將典型的電池管理系統(tǒng)成本從250美元降低至50美元。此外粟判，MAX11080具有業(yè)內(nèi)最高的精度、極低的功耗、集成的安全和自診斷功能寇淑、以及多個可配置功能唯诞，有效解決了大容量電池組安全監(jiān)控相關(guān)的問題。

    相對于傳統(tǒng)汽車電源而言兆婆，混合動力汽車的電源功率更大植嚼，電壓更高⌒龈纾“對于電源管理而言钾非，需要管理的對象不是單個電源，而是由電池單元串連和并聯(lián)之后的大規(guī)模電池陣列酣矮，由于電池單體在生產(chǎn)的差異性導(dǎo)致給電源管理帶來很大的工作負(fù)擔(dān)巨均，需要對每個電池單元的健康狀況進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整÷”英飛凌科技(中國)有限公司汽車電子業(yè)務(wù)部高級市場工程師曹洪宇補(bǔ)充道测捎，“另外在整個系統(tǒng)運(yùn)行過程中也要很好的處理突發(fā)的功率需求和剎車能量回饋帶來的沖擊。安全＋響應(yīng)速率就決定了系統(tǒng)的成敗而芥÷砂眨”

    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棍丐。Atmel公司的次級保護(hù)器件ATA6871提供了一種特殊的安全策略误辑，監(jiān)控電池單元的電壓和溫度，防止鋰離子電池發(fā)生熱失控或爆炸歌逢。一旦電池單元發(fā)生上述其中一項(xiàng)異常情況巾钉，便會通過緊急繼動裝置予以關(guān)斷。ATA6871帶有無需外部微控制器或軟件就能夠運(yùn)行的內(nèi)建自我測試程序趋翻，以及由硬件實(shí)現(xiàn)的監(jiān)控閾值睛琳，能夠提供安全級別最高的鋰離子電池監(jiān)控功能。即使初級器件被損壞踏烙，也可以確保正常的運(yùn)作师骗。

    對鋰電池組安全的群體性擔(dān)憂，促使業(yè)界研發(fā)更為精密安全的電池檢測管理芯片讨惩，汽車半導(dǎo)體廠商不斷地推出新的電池管理和功率解決方案辟癌，力圖在確保安全的前提下延長電池的壽命，并降低成本荐捻、體積和重量滩哥。

    挑戰(zhàn)二：掃除高壓電氣系統(tǒng)的障礙

    HEV設(shè)計(jì)的另一個挑戰(zhàn)是高電壓。傳統(tǒng)轎車使用的是12V的電源系統(tǒng)昨镊，而輕度溃恼、全面及插電式HEV卻需要600V到1,200V之間的高電壓電子系統(tǒng)磅愤，這使設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。

    “HEV最重要的革命性改變是動力系統(tǒng)的電氣化追粉，它要求大動力的電動引擎举库，并且必須在比標(biāo)準(zhǔn)12V內(nèi)燃引擎推動的汽車更高的電壓下運(yùn)行。另外短硼，HEV的電池和能源管理是基于12V和一個數(shù)百伏的高電壓電池的雙電網(wǎng)翩性，以及對汽車領(lǐng)域來說屬于嶄新設(shè)計(jì)的DC/DC轉(zhuǎn)換器和功率管理方案∽阅唬”國際整流器公司(IR)汽車產(chǎn)品副總裁及總經(jīng)理HenningM.Hauenstein博士指出：

    HEV的汽車結(jié)構(gòu)需要使用高電壓稽徙。因此，功率管理IC必須承受典型600V的電壓水平振袋，在一些大馬力的HEV型號中更可能要承受高達(dá)1,200V的電壓很鸥。IR有為輕型混合動力汽車提供先進(jìn)的電機(jī)驅(qū)動解決方案，而那些在10-15kW范圍的動力系統(tǒng)電機(jī)唆涝，通常會使用擁有600V能力的產(chǎn)品找都。至于全混合動力和插電式混合動力汽車，以及那些電機(jī)高達(dá)廊酣，甚至超出100kW的電動汽車能耻，IR有高達(dá)1,200V的開關(guān)和驅(qū)動IC供應(yīng)。

    相關(guān)的功率IC除了需要高達(dá)600V到1,200V的高電壓能力外亡驰，也需要驅(qū)動逆變器和DC/DC轉(zhuǎn)換器中前所未見的電流密度的開關(guān)晓猛。功率IC要面對這樣的高功率、高電壓以及高能源凡辱，就要以堅(jiān)固耐用戒职、可靠性和安全作為主要的條件。Hauenstein博士表示透乾，“IR非常重視電機(jī)驅(qū)動IC的保護(hù)功能洪燥，例如它們在HEV牽引電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重故障和短路時，免除了微型控制器的互動需要乳乌。我們是業(yè)界率先為負(fù)電壓尖峰免疫性引入安全操作區(qū)指標(biāo)的公司捧韵，因?yàn)檫@個問題在HEV逆變器中，開關(guān)高電流赴碘、高電壓IGBT時十分常見社衰。”

    IGBT位于逆變器中鸡视，為混合系統(tǒng)的電機(jī)提供能量桃旷。英飛凌IGBT技術(shù)可為HEV動力系統(tǒng)帶來諸多優(yōu)勢。溝槽場終止技術(shù)可降低傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗酒半，同時可使尺寸縮小30%薯舆。英飛凌結(jié)合溝道場終止IGBT(絕緣柵雙極晶體管)技術(shù)和Emcon二極管技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的HybridPACK1功率模塊用于輕度混合動力汽車晚乙；HybridPACK2則完全混合動力汽車應(yīng)用。

    幾年前帜贝，汽車中的功率器件大多數(shù)都是55V到60V的MOSFET筐成，主要用于汽車的動力傳動系統(tǒng)『副玻現(xiàn)在的汽車則采用20V到600V的功率器件示谐。對于動力轉(zhuǎn)向及制動這類應(yīng)用，開發(fā)工程師正在尋找具有低導(dǎo)通阻抗的高性能低壓溝道型MOSFET势送，以降低汽車的功耗拔调。

    IR由體積最小的HEV，也就是所謂微型混合動力汽車開始猜谚，為它們的啟動/停止功能提供極為耐用的MOSFET败砂。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(nèi)燃引擎操作，而相關(guān)的制動能量便可以補(bǔ)充給電池魏铅。頻繁的引擎發(fā)動昌犹，使起動器或者集成式起動發(fā)電機(jī)要求非常耐用的功率管理方案，這是因?yàn)楫?dāng)你以車匙發(fā)動汽車時览芳，普通的起動器只會發(fā)動引擎一次斜姥，但集成式起動發(fā)電機(jī)則要在頻繁的啟動/停止周期中應(yīng)付高得多的功率。IR的AUIRS2003S是一款高功率MOSFET驅(qū)動器沧竟，并備有高铸敏、低側(cè)參考輸出通道，適用于惡劣的汽車環(huán)境及引擎罩下的應(yīng)用悟泵。這款輸出驅(qū)動器具有高脈沖電流緩沖級杈笔，可將驅(qū)動器跨導(dǎo)降至最低，而浮動通道可在最高200V的高側(cè)配置中驅(qū)動一個N溝道功率MOSFET糕非。該器件還提供低靜態(tài)電流蒙具，可為高側(cè)電路帶來低成本自舉電源。

    為了滿足電池和功率管理进登、以及相關(guān)的DC/DC轉(zhuǎn)換器的要求勒蜀，IR的HEV方案系列也包括了具備非常低EMI和優(yōu)化了的開關(guān)性能的驅(qū)動器及開關(guān)。例如最新的DirectFETMOSFET產(chǎn)品便完全不用鍵合線敢铲，并且因?yàn)橄舜蟛糠值募纳姼屑梗约熬邆渥钚〉姆庋b電阻，所以能夠提供最佳的開關(guān)性能垮软。除了領(lǐng)先行業(yè)的低導(dǎo)通電阻驴涡、卓越的開關(guān)性能和增強(qiáng)了的溫度能效(例如雙側(cè)散熱)，這款十分先進(jìn)的無鍵合線芯片尺寸封裝讓設(shè)計(jì)的體積顯著減小伊屈，特別適用于高功率要求或者如HEVDC/DC轉(zhuǎn)換器這些快速開關(guān)應(yīng)用觅符。

    AllegroMicroSystems公司具有故障診斷和報(bào)告功能的全橋式MOSFET預(yù)驅(qū)動器A4940诉拔，采用超小型封裝，提供靈活的輸入接口深吠、自舉監(jiān)控電路增厢、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(fù)載(如：直流電刷電動機(jī))的汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)桑孩。

    壓電噴射或高強(qiáng)度照明等其它應(yīng)用需要100V到200V的功率器件和驅(qū)動器拜鹤。而點(diǎn)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(dǎo)體公司的柵極驅(qū)動器FAN7080x系列流椒，讓工程師開發(fā)出在所有操作條件下更準(zhǔn)確敏簿、精密的燃油噴射控制系統(tǒng)，從而提高燃油效率宣虾。這些柵極驅(qū)動器在高側(cè)和橋驅(qū)動器應(yīng)用中驅(qū)動MOSFET和IGBT惯裕，如直接燃油噴射系統(tǒng)和電機(jī)控制。與市場上同類器件相比绣硝，它們的靜態(tài)功耗減少一半以上(靜態(tài)電流100μA對比240μA)蜻势，容許設(shè)計(jì)人員優(yōu)化系統(tǒng)和擴(kuò)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(shù)鹉胖，吸引功率半導(dǎo)體廠商紛紛瞄準(zhǔn)這個龐大的市場握玛。ISuppli曾預(yù)測汽車IGBT市場有望以17.2%的年復(fù)合增長率高速發(fā)展，位居汽車電源管理器件之首次员，MOSFET市場增長居其次败许。雖然在未來幾年中混合動力車輛還將只是占據(jù)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的巨大需要淑蔚。

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