汽车传动系统电气化,要求符合汽车质量标准的高性能半导体芯片。因此,在功率半导体和汽车电子领域都具备技术专长,是在新兴的电动汽车和混合动力汽车((H)EV)市场取得成功的必要条件。英飞凌具备设计高能效(H)EV系统的所有要素。

(H)EV系统的功率电子主要组成部分为主逆变器、DC/DC变流器、辅助逆变器/变流器、车载充电器和电池管理。功率模块、微控制器、驱动器、传感器等(如图1)高度可靠的半导体必须支持多种逆变器功率级,以助力实现紧凑、经济、节能的系统设计。

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图1: (H)EV系统的关键组成部分:功率模块、高性能微控制器和驱动器

譬如,HybridPACK家族就支持这一设计目标,其针对(H)EV应用的解决方案覆盖所有功率级(10kW -150kW)。EiceDRIVER门级驱动器具有驱动和控制IGBT的理想功能。该产品家族包括具备高低压隔离能力和双向信号传输特性的单/双通道汽车IGBT门级驱动器。AURIX系列这样的高性能32位微控制器是高能效型电动传动系统产品组合的有效补充,同时位置传感器可提供电机位置的闭环反馈,以实现场定向控制(FOC)这样的复杂控制。

优化的门级驱动器

最新一代EiceDRIVER解决方案在实现经济实用的逆变器设计和推进针对(H)EV应用的ASIL系统认证方面起到了重要作用。

1EDI2001AS 和1EDI2002AS的目标应用为使用400V、600V和1200V IGBT的(H)EV逆变器。这两款驱动器都具备高低压隔离、双向信号传输、主动短路保护以及优化的IGBT开关驱动功能。这些产品都采用了用于控制和诊断的标准SPI,传输速度高达2Mbd。安全相关功能包括: 过流保护以及针对所有电源、振荡器、门级驱动信号和输出级的信号的状态监控。此外,还支持包括错误注入(error injection)和弱导通(weak turn-on)在内的系统级诊断。

EiceDRIVER家族的另一个成员是1EDI2010AS。该产品在二次侧集成一个ADC,可用来采样高压母线电压以及NTC温度或IGBT晶圆温度(如带有晶圆集成温度传感器)。相关数据是通过SPI提供的。

1EBN1001AE是单通道IGBT驱动能量放大器,兼容1EDI20xxAS系列。该产品以高性能双极技术为基础,可替代基于分立式器件的缓冲级。由于其采用热性能优化的裸焊盘封装,能驱动和灌入高达15A的峰值电流。这使其适合汽车应用中的大多数逆变器系统。该产品具备主动短路保护和有效钳位功能,采用裸焊盘PG-DSO-14封装。

门级驱动器和升压器结合在一起可在子系统中节省多达20%的PCB空间,同时可使当今解决方案中分立式器件的数量减少60%。

用于无刷电机控制的高性能转子位置传感器系统

(H)EV 应用经常采用无刷电机。这些高效电机依赖快速、准确的转子位置传感器进行换向,因为这些传感器参数对车辆的启动特性、动态性能、转矩波动和效率具有重大影响。

通常可利用不同原理来探测转子位置:旋转变压器(基于电感式)和电磁式。基于旋转变压器的传感器系统面临着一些限制(模拟输出、复杂电路、高系统成本、空间限制、对杂散场灵敏以及位置公差等)。32位AURIX微控制器家族利用其Σ-Δ模数转换器生成载波信号和进行基于软件的编码,可通过避免使用旋转变压器解码IC,帮助将系统成本降低大约20%。

另一方面,采用AMR(各向异性磁阻)或GMR(巨磁阻)技术的磁阻式(xMR)角度传感器具有高精确度,同时对位置公差具有低敏感度。

要实现xMR传感器系统,必须将来自功率电子、电感、电机体积、电缆和电机杂散磁场这些干扰源的杂散磁场影响考虑在内。英飞凌最近将完整的传感器系统集成在电机轴端,并满足所有要求。围绕轴端布置的磁路可完美屏蔽电磁干扰场。这样就无需采用额外的,可导致系统成本急剧攀升的电磁屏蔽措施。

磁路以及传感器模块的大多数部分将完全集成进轴端(如图2),只有一小部分传感器模块机械结构部分露在轴端外部。

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图2:轴端集成传感器系统可确保不受杂散磁场影响并可节省空间

在准确性方面,系统评估结果非常乐观:受试GMR传感器的最大测量角度误差< 0.3°(如图3) ,AMR传感器的相关参数< 0.14°。这种高精度可在很大的安全操作区域内保持稳定,同时毫米级的位置误差依然可实现高精度角度测量。

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图3:在一个封装内兼具AMR芯片和GMR芯片的TLE5309D传感器具有不受位置公差影响的出色准确性

在许多情况下,转子位置传感器在ISO26262功能安全方面也扮演着密切相关的角色。英飞凌提供采用双传感器封装的角度传感器,可在一个传感器的空间集成两个冗余传感器。尤其是,TLE5309D通过结合利用AMR和GMR技术,可满足最高的功能安全要求,不仅实现了冗余性,而且实现了多样性。

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