2021年01月27日 | 安森美加大技术投入，面向下一代自动化和电动汽车

复杂的自动化系统越来越需要创新的解决方案和体系架构，以最大化效率并增加多个行业的灵活性。现代自动化包括一系列技术，其机械学范围从液压到气动，从电气和电子到信息技术的各个领域。

安森美宣布了几种用于下一代工业解决方案的技术。在高级封装，电机控制和GaN / SiC解决方案方面的投资包括大功率模块，单/双面冷却和双面直接冷却封装等。

汽车行业将加大对自动化和电动汽车的创新投入。尽管电动汽车（EV）都会承诺自己的续航里程，但续航的焦虑，可变的能源成本和充电速度问题仍然是当今电动汽车用户的担忧。

安森美市场营销与战略团队Ali Husain与安森美全球汽车战略与业务发展副总裁Joseph Notaro在接受Power Electronics News采访时，重点介绍了自动化和电动汽车上所做的工作。

车辆电气化将是减少碳排放和减少对石油依赖的关键技术。今天，电气化涵盖了多种创新技术，包括启停（12 V和48 V系统），电池电动（BEV），混合电动（HEV），插电式混合电动（PHEV）和燃料电池汽车（FCEV）。

自动化

自动化在行业中起着至关重要的作用。对优化控制的依赖是一种既定做法；实现更高效率水平的需求是驱动器和电机控制持续创新的动力。

由于市场增长和更高效拓扑的需求，对电机驱动解决方案的需求正在增长。尽管所有类型的电动机的消耗仍然很高，但是半导体制造商强烈要求针对无刷直流电动机控制（BLDC）的优化集成解决方案。

“我们推出了一系列电源板，以采用我们各种电机控制解决方案，其中包括功率级三相逆变器以及辅助电源接口。我们针对的应用都是三相电动机应用，但它们也可以用于三相PFC。”Ali Husain说。

电机控制板是基于Xilinx Zynq 7000 Soc设计的。“ Xilinx通用控制板的强大之处在于，它可以用于高端应用和复杂的电源转换拓扑，例如多电平转换器，三相PFC和LLC以及其他复杂拓扑。应用目标包括无刷直流电动机，交流电动机，永磁体和伺服电动机以及其他工业电动机。”Ali Husain说，“此外，我们还将推出一系列MOSFET逆变器，其输入电压范围为30伏特至100伏特，以及明年将推出高压8千瓦的IGBT。”

半导体行业致力于提高集成度，以加速采用更高效电机的过程，并帮助制造商遵守新法规提出的日益严格的要求。在实践中，这意味着将栅极驱动电路与IGBT集成在同一封装，以使其既满足应用需求，又符合法规要求。

在所有可用的解决方案中，我们可以找到IPM（智能电源模块）——该模块提供定制的集成驱动电路以执行自我保护功能（短路，电源和过热）。

Ali Husain说：“安森美半导体提供了IPM（智能功率模块）模块组合，并结合了包括CIB（转换器－逆变器－制动）和CI（转换器－逆变器）拓扑在内的电源模块的开发。”

图1：1千瓦紧凑型IPM电源板（来源：安森美半导体）

图2：方框图-SPM31 4 kW电源板（来源：安森美半导体）

他补充说：“在图1中，显示了一个1千瓦紧凑型IPM电源板的示意图。该设备具有一个三相逆变器，包括栅极驱动器。您可以在前端看到，我们还包括一个交错的功率因数校正级、控制器、辅助电源和信号链，以将反馈信息反馈给控制器。在图2中，您可以看到具有SPM 31的四千瓦电源板的示意图。该电源板没有PFC，但可以添加一个。通常，在这些功率水平下，PFC可以通过其他方式（有时是更集中的方式）完成，直流母线分配到电机驱动器。我们已经放置了电机驱动应用所需的所有其他外围设备。”

对于这种类型的模块，工业环境通常可能很苛刻，因为它们并不总是受到密封保护，以防止潜在有害物质的进入。Ali Husain说：“在这种情况下，安森美半导体通过开发一种使用传递模塑技术的封装，证明了其对市场需求的关注。”

他补充说：“我们认为，transfer moulding技术真的是一种新的范例，在工业电机驱动中，我们正在用传递模塑模块代替传统的凝胶填充模块，从而实现了更大的功率和更高的耐温性。因此，您可以看到我们具有更高的可靠性。它经过包覆成型和气密密封，可以在某些严苛的工业环境中提供更好的耐腐蚀性。我们将提供的模制拓扑是传统的转换器-逆变器-制动器，以及几种变型。”

在电机驱动应用中，尤其是在大功率水平下，散热一直是面临的最大挑战之一。在这类应用中，拥有高效率的功率器件或具有良好热阻的紧凑模块是关键。

电机控制中的封装非常关键，必须保证绝缘要求以及正确的散热。除了这两个方面，包装还必须完美地集成到应用程序中，消除可能损坏控制系统的寄生效应。

推动零排放汽车的未来

Notaro表示：“尽管全球轻型汽车的销售和产量同比下降（到20年第三季度末），安森美半导体仍然跑赢市场。”他指出，与前几个季度相比，如今市场出现了许多变化，实现了强劲增长。

他补充说：“正如爱因斯坦曾经说过的，机会蕴藏在困难之中，汽车就是其中之一。车辆电气化，自动驾驶，LED照明等应用都是推动汽车市场增长的因素”。

电动和混合动力汽车的设计者为提高能量转换效率而努力，他们的目标是配备紧凑封装和高热可靠性电力电子模块的组件，并减少开关损耗。

为了从电池容量中获得最大效率，整个转换链必须是低功耗，高效率的。SiC正在从最初的肖特基二极管向MOSFET演进，包括转换器和逆变器等都开始采用SiC技术。

“我们在2019年向全球客户交付了超过40亿个汽车功率器件，包括一系列SiC解决方案。 “在48伏系统中，我们可以满足从集成式启停发电机到DC-DC的所有功率需求。”Notaro说。

SiC适用于高功率密度和高效率应用，例如逆变器。如今，动力总成确实在极大地推动了SiC市场的发展。在电动汽车中，最重要的参数之一是续驶里程，而SiC可以显著扩大续驶里程。

“1200 V高压下GaN无法承受。另一方面，SiC更坚固，可以满足动力总成的要求，特别适用于牵引逆变器。事实上，一个重要的参数是开关时间，SiC在高电流密度下的开关速度非常快。”Notaro说。

他补充说：“当我们看电动汽车时，对于消费者来说有两个很大的麻烦。一个是真正的焦虑症，另一个是电池充电的速度。因此，由于碳化硅的特性，您可以提高功率器件的开关速度，可以为主驱动器逆变器，车载电池充电器（OBC）和直流电提供更高的结温，更高的电流密度和效率。” Notaro说。

图3：电动汽车（来源：安森美半导体）

图4：电动汽车用碳化硅（来源：安森美半导体）

典型的双向OBC的方框图包括一个图腾柱功率因数校正（PFC）阶段（两个相同的器件并行工作），DC / DC转换器（LLC谐振回路）。在隔离栅驱动器的控制下，可以使用同步场效应晶体管（FET）将输出电压滤波为最终的DC电压。

“电力应用不遵循摩尔定律，功率与材料特性有很大关系，如果应用需要400 A，则必须采取相应的措施。” Notaro说。

外延是一个重要的过程，决定了产品的质量。全面了解材料对于涉及SiC的设计非常重要。 “产品均匀性对于提高产量并降低成本至关重要。这是下一个挑战之一。”Notaro说道。

电动汽车的自动驾驶功能推进系统的效率和整个能源管理成正比，充电站还将必须达到几百千瓦的功率，从而有助于快速充电以及符合排放标准。

电动汽车的成本基本上在电池中，解决里程和充电时间很重要。电池的重量必须在充电时间和动力续航之间达到平衡。“对于800V电池，我们可以确定充电技术将会达到10分钟快充的程度。”Notaro说。

他补充说：“当我们拥有大量的电动汽车时，重要的是要有足够的充电站，同时要有一个智能的绿色电网来满足电动汽车的能源需求。”

电动汽车在道路上的数量也在逐渐增加，这意味着更少的污染，更少的颗粒物和更少的噪音。无声汽车对行人，骑自行车的人，摩托车手和其他道路使用者具有潜在的危险。现有的和即将颁布的新法规将规定所有电动汽车都配备车载AVAS（声音车辆警报系统），以便它们在某些速度条件下发出的噪音类似于传统发动机。