小米在今年的春季新品發(fā)布會上，正式啟動了其造車計劃，這一消息輕松霸占了各大社交媒體的熱搜與頭條。家電、消費電子企業(yè)的跨界造車的熱潮正在如火如荼地展開，無論是時常左右投資者思考的分析師，還是只看產(chǎn)品的普通消費者，貼著“燃油車”標(biāo)簽的企業(yè)，在他們面前似乎一下失去了魔力。

傳統(tǒng)燃油汽車更側(cè)重對發(fā)動機(jī)和精密零部件等技術(shù)的研發(fā)，而圍繞整個電動汽車最大的技術(shù)難點就在于電源管理。電源管理一方面牽扯到電動車的續(xù)航里程，另外一方面則牽扯到充電時間，這兩方面目前是消費者使用電動汽車最為關(guān)切的兩大因素，此外安全的電源管理也是電動汽車相較于傳統(tǒng)燃油車的不同之處。

在電動汽車中，電源系統(tǒng)囊括了DC/DC轉(zhuǎn)換器、AC/DC變換器和DC/AC逆變器等眾多電源管理相關(guān)技術(shù)，并且包括IGBT、GaN以及SiC等高功率器件，電壓范圍可覆蓋從5V到最高1200V，這些復(fù)雜的電源管理系統(tǒng)，將給半導(dǎo)體廠商帶來巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

Power Integrations, Inc（PI）作為一家專注于高壓電源管理的供應(yīng)商，正在通過包括功率變換IC、大功率門極驅(qū)動和整流二級管產(chǎn)品的汽車化升級認(rèn)證，不斷擴(kuò)大公司在電動汽車市場應(yīng)用的銷售規(guī)模。正如PI CEO Balu所說：“幾年前，我們開始為汽車市場開發(fā)產(chǎn)品，盡管該市場的營收可能仍需幾年時間，但潛在機(jī)會是巨大的。高電壓在電動汽車（EVs）中無處不在，不僅在傳動系統(tǒng)中，而且在充電中。在下一代汽車應(yīng)用當(dāng)中，電源管理將涵蓋從主電池驅(qū)動到許多其它內(nèi)部的子系統(tǒng)。”

正如Balu所說，目前大部分小型電動汽車的母線電壓是400V左右，中高端電動汽車甚至已經(jīng)轉(zhuǎn)向電動巴士所采用的800V及最高925V電壓。采用更高電壓的好處顯而易見，可以使充電速度更快，并且減少損耗、線束及電機(jī)更輕。

符合車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品

相較于消費以及工業(yè)系統(tǒng)而言，汽車牽扯到乘客的生命安全，因此需要注重各種安全指標(biāo)，包括穩(wěn)定性和可靠性、使用壽命、抗擾性等等一系列指標(biāo)都較為嚴(yán)苛，并且制定了一系列的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，諸如AEC-Q100、AEC-Q101、IEC60664-1等。

在歷經(jīng)了幾年相關(guān)可靠性設(shè)計、測試驗證及安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證之后，2020年，PI推出一系列符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，包括SCALE-iDriver、InnoSwitch?和LinkSwitch?等，并將推出更多針對電動汽車的產(chǎn)品。“汽車應(yīng)用將成為我們重要的組成部分”Balu強(qiáng)調(diào)道。

如圖所示，一般而言電動汽車母線電壓包括高壓400V（或800V）的電池系統(tǒng)，以及傳統(tǒng)的12V鉛酸電池，其中鉛酸電池用于傳統(tǒng)的輔助電源、泵、壓縮機(jī)、方向盤轉(zhuǎn)向等供電，而高壓系統(tǒng)則負(fù)責(zé)向逆變器、電池加熱系統(tǒng)以及通過高壓DC/DC轉(zhuǎn)換成12V從而為12V母線供電等系統(tǒng)。

PI產(chǎn)品在牽引逆變器中的應(yīng)用

牽引逆變器作為動力系統(tǒng)，是電動汽車中最重要的組成部分，因此對于安全等級要求非常高。汽車安全標(biāo)準(zhǔn)ISO26262對于的道路車輛的功能安全提出了一系列要求，針對牽引逆變器系統(tǒng)來說，比如當(dāng)12V供電電源出現(xiàn)故障時，仍然要保證在母線電壓存在的情況下系統(tǒng)能夠生成所必須的12V供電電壓，該供電電壓可以確保汽車的關(guān)鍵系統(tǒng)（諸如轉(zhuǎn)向、剎車等）在可控范圍內(nèi)，從而保護(hù)用戶。這樣就需要電動汽車內(nèi)部必須具備應(yīng)急電源系統(tǒng)（EPS），其主要功能就是可以將800V母線直接轉(zhuǎn)換成12V電壓，從而為動力系統(tǒng)逆變器的控制及驅(qū)動IC以及安全控制電子系統(tǒng)供電。而電動汽車的母線電壓范圍在故障期間也可能是非常低的，就需要應(yīng)急電源能夠在很寬的范圍內(nèi)維持工作。PI的InnoSwitch3-AQ可支持直接從30-500V高壓母線轉(zhuǎn)換成12V低壓輸出，從而滿足應(yīng)急電源的設(shè)計要求。

InnoSwitch3-AQ系列IC，將初級、次級和反饋電路同時集成到一個表面貼裝離線式反激開關(guān)IC中。所有InnoSwitch IC都集成了750V初級MOSFET、初級側(cè)控制器、用于同步整流的次級側(cè)控制器，并且通過磁感耦合的FluxLink技術(shù)省去了光耦，從而進(jìn)一步提高器件的可靠性。而通過外加MOSFET的PI的StackFET拓?fù)浼夹g(shù)，應(yīng)急電源可以在800V或925V的更高母線電壓下工作。這種拓?fù)洳坏梢越档统跫夐_關(guān)管的電壓應(yīng)力，還可以在InnoSwitch3-AQ和外加的MOSFET開關(guān)管之間分擔(dān)散熱，更加適合于電動汽車較高工作環(huán)境溫度的要求。

FluxLink采用數(shù)字通信技術(shù)，具有較高帶寬，這也使InnoSwitch3的動態(tài)響應(yīng)速度相較于傳統(tǒng)的PWM控制方式更快。其次級側(cè)檢測和控制的方案可將輸出精度控制在±3%以內(nèi)。對于目前電動汽車應(yīng)用中廣泛采用的初級側(cè)穩(wěn)壓方案，這種輸出精度的保證可以大大縮減方案成本，并提升電源的系統(tǒng)效率。

InnoSwitch3-AQ符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)，并且生產(chǎn)過程通過IATF16949認(rèn)證，從而滿足車規(guī)級的嚴(yán)苛要求。

針對逆變器驅(qū)動，PI提供了SCALE-iDriver 系列門極驅(qū)動器IC，可為IGBT、傳統(tǒng)MOSFET和SiC MOSFET等不同的功率開關(guān)器件提供隔離驅(qū)動以及相應(yīng)的保護(hù)。隔離驅(qū)動的耐壓最高可支持8000V的瞬態(tài)隔離電壓。爬電間距做到9.5mm，對于汽車中高污染環(huán)境的應(yīng)用，可大大提高可靠性。門極驅(qū)動的最大驅(qū)動電流可達(dá)8A，完全可以滿足大功率開關(guān)的驅(qū)動需求。PI每一顆驅(qū)動IC都經(jīng)過了絕緣測試以及局部放電測試，以確保產(chǎn)品的高可靠性。同樣，PI也將FluxLink 磁感雙向通信技術(shù)引入到驅(qū)動器應(yīng)用中，通過1200V加強(qiáng)隔離技術(shù)，可降低信號傳輸?shù)母蓴_。SCALE-iDriver利用AROC（高級阻性過壓控制）技術(shù)，控制di/dt，降低關(guān)斷過壓，從而提高轉(zhuǎn)換效率。

由于功率器件的關(guān)鍵性且價格高昂，SCALE-iDriver具有完善的保護(hù)功能可有效防止功率管的損壞，包括高級軟關(guān)斷、短路保護(hù)以及原方和副方欠壓保護(hù)等功能。而針對SiC更高的開關(guān)頻率，SCALE-iDriver可以實現(xiàn)更快的短路響應(yīng)時間，并且針對集成電流檢測/鏡像功能的SiC，可以直接實現(xiàn)過流關(guān)斷。SCALE-iDriver還集成了功率管理和電壓穩(wěn)壓，通過單電壓輸入即可輸出開關(guān)驅(qū)動所需的正負(fù)電壓，減少了元件數(shù)量。

除了上述兩款器件之外，PI還提供了包括車規(guī)級LinkSwitch反激開關(guān)以及Qspeed二極管等產(chǎn)品，滿足汽車市場的不同需求。

豐富的汽車解決方案

如今，PI的車規(guī)級產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于主高壓DC-DC轉(zhuǎn)換器、牽引逆變器、電池管理系統(tǒng)、空調(diào)和輔助DC-DC轉(zhuǎn)換器以及車載充電器等領(lǐng)域。

隨著電動汽車?yán)m(xù)航里程和充電技術(shù)的不斷改進(jìn)，將極大促進(jìn)電動汽車的普及，這種技術(shù)的進(jìn)步主要將體現(xiàn)在改進(jìn)電池技術(shù)及半導(dǎo)體IC中。針對半導(dǎo)體來說，可以利用寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)或者是通過高效率的電源管理器件以及拓?fù)浼軜?gòu)，實現(xiàn)合理的轉(zhuǎn)化和利用能源，達(dá)成更高功率密度。

在2021年兩會上，“碳達(dá)峰”“碳中和”被首次寫入政府工作報告。按照規(guī)劃路徑，到2060年，純電動汽車的滲透率有望超過70%。面對如此巨大的市場前景，半導(dǎo)體廠商都勢必會加大投入，重拳出擊，搶灘千億汽車半導(dǎo)體市場。PI利用其在高壓、隔離、封裝、可靠性及拓?fù)涞确矫娴姆e累，不斷推出符合車規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，滿足電動汽車全新的體系及架構(gòu)要求，幫助電力電子相關(guān)工程師解決電動汽車電源管理所遇到的挑戰(zhàn)。使其在滿足汽車領(lǐng)域高安全性要求的同時，簡化產(chǎn)品設(shè)計并提高轉(zhuǎn)換效率和密度，從而順應(yīng)電動汽車的開發(fā)需求。