作者：安森美半導體電動/混動汽車系統應用經理John Grabowski
前言
隨著對環境和空氣質量狀況越來越多的關注，需要解決減少車輛二氧化碳氣體排放的問題。解決此問題最好的辦法是降低車輛的平均油耗。使用混合動力汽車，而不是純內燃機(ICE)動力汽車，是減少油耗的一種新方法。
在所有道路車輛中，牽引動力系統必須能夠在非常寬廣的功率和速度(通常被稱為轉矩-速度范圍)條件下運行，混合動力系統的使用支持系統設計人員在不同的轉矩-速度范圍點上自由地優化兩個電源。此電源能夠提供有益于加速的非常大的扭矩，但它只能在有限的時間內使用。具體時間取決于電池的大小和電機的輸出轉矩。有了高扭矩產生電源，可大大縮小內燃機尺寸，從而提高燃油能效。然而，增加這種混合動力源當然不是微不足道的工程問題，需要一種方法，包括影響許多車輛系統的設計考慮因素。
功能電子化一般是通過增加高壓(約350 V)電池和高性能電機直接耦合到ICE動力系統來實現的。這些‘全’混合動力汽車(HEV)一直是燃油能效車輛的定義類，從提高能效的角度，是非常有吸引力的。然而，他們增加了相當大的成本和重量。
近年來，48V汽車系統架構受到了廣泛的關注。這些系統可被認為是向全混合動力汽車邁出的一步。它們通常被稱為 “輕度”混合動力汽車(MHEV)。它們由一個相對緊湊的48V電池、一臺高性能電機和多個48V電氣化子系統構成。48V系統的較低成本更增加了它們對汽車整車廠商(OEM)的吸引力，將很快成為大多數汽車制造商產品組合的一部分。
輕度混合動力汽車雙電壓架構
目前，現有的48V架構有很多種，變體也在增加。大多數系統包括一個電池、一個起動機發電機、一個電壓轉換器，通常至少有一個48V負載。由于48V汽車仍然保留12V電池和多個12V負載，因此在可預見的未來，這些系統很可能會以雙電壓架構存在。請參見圖1。
圖1.典型的48 V輕度混合動力系統電氣拓撲
使用48 V雙電壓結構，許多新的汽車電氣配置是可能的。因為48 V系統從根本上來說能夠提供更高的功率水平，所以使用新的、更高功率的子系統是可能的。隨著48 V系統的出現，在12 V拓撲中集成48 V電動壓縮機和48 V電動穩定系統成為可能。此外，更高功率的實現將通過利用提高的能效促成更高動力的12 V負載遷移到48 V總線。
最初，雙電壓系統的12 V將保持原樣，沒有12 V交流發電機。由于唯一的電源是48 V發電機，該系統將需要一個轉換器，將48 V產生的功率轉移到12 V電池。這種轉換器需要緊湊、輕量級和高能效。它的設計是雙向的，這使得在高電流需求時期能結合使用兩種電池，需要在冷車啟動等情況下使用。該雙向轉換器能夠轉換來自任何一個電池的電源，并在它們之間傳輸能量。
48 V的起動發電機是主要部件。它負責產生汽車的所有電力并啟動汽車。此外，起動機發電機在汽車制動過程中進行再生能量回收。在這種模式下，機器充當發電機，向動力總成提供負扭矩，使汽車減速，并回收電池的電荷。起動發電機有許多配置和功率水平，每一個都有非常具體的汽車實施目標。
48 V輕度混合動力汽車DC-DC轉換器
雙向電源轉換器需要在兩個電池系統之間共享電荷，并且功率范圍通常在1kW到3kW范圍。在這種大功率范圍內維持高能效的最流行的拓撲結構是多級降壓升壓轉換器。降壓拓撲支持功率從較高的電壓側向下流向較低的電壓側。升壓拓撲支持功率流向相反的方向。多級設計支持將多個獨立的轉換器子電路組合成單個高功率轉換器。這種多級設計支持在輕載條件下去掉(shedding)某些段。多級shedding功能通過使用一個可導通或關斷的輸出MOSFET以使能每一特定段實現。典型的轉換器設計如圖2所示。突出顯示的方框表示安森美半導體提供大量產品的領域。
Interleaved Buck-Boost 48V-12V Bidirectional Converter：交錯式降壓-升壓48 V-12 V雙向轉換器
48 V Positive Rail：48 V正向軌
48 V Negative Rail：48 V負向軌
Alternate Half Bridge Power Module：備用半橋電源模塊
Gate Driver：門極驅動器
Half-bridge Gate Driver：半橋門極驅動器
One of N Multiple Interleaved Stages：多個交錯式段之一
Current Sense Amplifier：電流檢測放大器
12 V Positive Rail：12 V正向軌
12 V Negative Rail：12 V負向軌
圖2. 多級DC-DC轉換器的單級拓撲
輕度混合動力汽車子系統
MHEV有各種各樣可能的48 V子系統，比僅使用12 V的系統實現更多可能性。MHEV上的最高功率負載是電控增壓器，稱為電動壓縮機(E-Compressor)。由于增壓器需要在幾分之一秒加速到極高的速度，它需要大量的瞬態功率。典型的增壓器驅動含由三相逆變器驅動的低慣量三相電機。峰值功率水平可達8 kW以上，盡管它的平均功率相對較低。這些寬范圍功率配置完美匹配48V系統，在相對較短的時間產生大量的功率。
許多其他汽車子系統也非常適合48 V結構的單相和三相配置。圖3列出了可能的48 V子系統。
圖3. 48V子系統小結
其它48 V系統
許多48 V子系統由低功耗三相電機驅動系統組成。這些電機驅動器最便于通過模塊設計來實現。安森美半導體的汽車電源模塊(APM)三相模塊系列是理想的選擇。這些模塊為三相輔助電機驅動系統的構建提供了一個緊湊、高效的選擇。該模塊具有功率橋、內部分流電阻、緩沖電容器等6個器件，并構建在一個隔離的陶瓷基板上。為評估80V APM器件的性能，創建了48 V逆變器參考設計。系統配置和圖片如圖4所示。
圖4. 基于APM的48 V三相輔助電機驅動
它有以下特性：
- FAN08V19DB1 3相電源模塊
- 光學輸入隔離
- FAN7393 半橋門極驅動器
- 逆變直流鏈路分流放大器
- 模塊溫度轉換電路
- 基于NCV213RSQT 的過流保護
- 基于NTS 的過溫保護
- 可選的3通道電流傳感器板(通常是兩相+直流鏈路)
- 反向電池及電壓瞬態保護電路
該三相電機驅動系統在安森美半導體的密歇根州安阿伯電源實驗室處于最后的測試階段。測試完成后，
安森美半導體將提供更多的詳細信息。
48 V 系統器件
安森美半導體提供許多適用于48 V電子系統設計的器件。這些器件的簡單分組如表1所示。我們提供各種分立和模塊化封裝的MOSFET。即使在具有較大共模電壓的設計中，我們的電流檢測放大器系列能夠將分流電阻電壓轉換成邏輯電平信號。此外，我們正不斷開發新的器件，以擴大我們世界級的陣容。新的器件封裝也處于AEC認證的最后階段，并將很快推出生產。
表1. 48 V 輕度混合動力汽車方案應用器件
48 V子系統擴展
48 V革命的一個可能的結果將是產生各種各樣的48 V外設。這種擴展可能會降低48 V子系統的成本，并增加它們對其他高壓汽車的吸引力。如果這些外設包括在全混合動力汽車或電動汽車，它們將需要一個48 V電源，從而引入對三重電壓結構的需要。這種架構將為電動/混動汽車生成一種新的方案器件需求，稱為“三重電壓轉換器”。
總結
在12 V和全混合動力汽車中添加48 V系統將為設計人員提供實現當今汽車所需的提升燃油能效的機會。這也將大大增加對新的和創新的電力電子電路的需求。盡管將出現48 V架構的許多變體，但最終的結論將在汽車客戶權衡了特性和效益與成本之后。 |
