中心議題：

• 電動汽車對鋰電池組安全的挑戰
• 高電壓係統對電動汽車安全的挑戰

解決方案：

• 采用更為精密安全的電池檢測管理芯片
• 采用高電流、高電壓IGBT

在汽車行業的發展方向上，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。從技術角度來說
，目前更為可行的是混合動力。混合動力汽車是指同時裝備兩種動力來源——熱動力源(由傳統的汽油機或者柴油機產生)與電動力源(電池與電動機)的de汽qi車che。這zhe樣yang汽qi車che的de動dong力li係xi統tong可ke以yi按an照zhao整zheng車che的de實shi際ji運yun行xing狀zhuang況kuang靈ling活huo調tiao控kong，幫bang助zhu發fa動dong機ji保bao持chi在zai綜zong合he性xing能neng最zui佳jia的de區qu域yu內nei工gong作zuo，從cong而er降jiang低di油you耗hao與yu尾wei氣qi排pai放fang。

對於終端消費者來說，混合動力車型已經得到越來越多的認可。從最早進入大眾視線的豐田普銳斯開始，本田思域、福特翼虎、寶馬混合動力X6、凱雷德混合動力版、保時捷混合動力版卡宴
、雷克薩斯RX450H等

，以及一些國產混合動力車包括奇瑞A5、長安傑勳混合動力車
、比亞迪F3DM等等，都逐漸進入了市場。但是
，對於半導體廠商來說
，還有兩大挑戰是需要長期研究的課題。

挑戰一：對鋰電池組安全的群體性擔憂

細數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
，且業界普遍認為鋰離子會在2015年nian時shi占zhan據ju市shi場chang主zhu導dao地di位wei。然ran而er考kao慮lv到dao鋰li離li子zi電dian池chi自zi身shen的de不bu穩wen定ding性xing，需xu要yao精jing心xin的de設she計ji和he先xian進jin的de監jian測ce方fang案an來lai確que保bao安an全quan工gong作zuo。例li如ru電dian池chi過guo壓ya會hui引yin起qi電dian池chi溫wen度du的de迅xun速su升sheng高gao，引yin發fa燃ran料liao泄xie漏lou的de過guo熱re失shi控kong狀zhuang態tai。

“縱使鋰離子電池在尺寸、重量
、再充電速度、shoumingzhouqihedikangcunchuqixiaoyingfangmiandoujuyoutuchudeyoushi，danshitamenzaiguochongzhuangtaihuoshendufangdianguochengzhongwangwanghuifashengguorexianxiang。yinci
，zaililizidianchideshiyongzhong，baohuheanquangongnengshijiweizhongyaode。”Atmel高壓產品線高級行銷經理ClausMochel指出。Atmel的鋰離子電池管理芯片組ATA6870/71集成了熱插拔功能、6個截止頻率低於30Hz的集成式模數轉換器和一個可堆疊的微控製器電源，省去了外部濾波器，較同類解決方案需要的外部組件更少。

淩力爾特公司信號調理產品產品市場經理BrianBlack也持相同觀點，“混hun合he動dong力li型xing汽qi車che與yu使shi用yong汽qi油you的de傳chuan統tong汽qi車che的de不bu同tong之zhi處chu在zai於yu混hun合he動dong力li型xing汽qi車che使shi用yong一yi個ge大da型xing電dian池chi組zu。這zhe個ge電dian池chi組zu必bi須xu仔zai細xi管guan理li
，以yi最zui大da限xian度du地di延yan長chang車che輛liang的de可ke行xing駛shi距ju離li、電池組壽命、以及當然還有係統可靠性和安全性。”每個鋰離子電池組一般都由串聯連接的電池單元並聯組合而成
，這樣產生的電池組將有數百伏電壓，放電電流可能超過200A。使用鋰離子電池增加了電池管理係統電路的複雜性和所需的精確度。

針對需要多種電池管理功能的應用
，理想的解決方案是可執行電池測量、故障檢測、溫度測量和電池容量平衡的集成式電池監視器。LTC6802能測量多達12個單獨的電池，幾個LTC6802可以疊置，用來測試>1000V的係統。在電池管理係統中
，LTC6802完成繁重的模擬功能
，將數字電壓和溫度測量值傳送到主處理器，用於充電狀態計算。LTC6802的高準確度、卓越的噪聲抑製、高壓容限和廣泛的自診斷功能使其非常堅固和易用。其高集成度意味著
，與分立組件數據采集設計相比
，客戶可以節省大量成本。

由於HEV通常需要數百節電池串聯供電，故障引起的後果是嚴重的：一節電池的故障可能會造成整個電池組的燃燒或爆炸。通常的保護電路大都采用多個3或4通道故障監測器
，並且在監測器與模擬電路及無源器件(電阻
、多路複用器等)之間采用昂貴的電流隔離器。美信的MAX11080具有12通道故障監測器
，采用專有的電容隔離式菊鏈接口


，大大減小了元件數量。這種獨特的架構允許連接多達31個器件至串接電池組，對多達372節(jie)電(dian)池(chi)進(jin)行(xing)監(jian)測(ce)。同(tong)時(shi)，基(ji)於(yu)電(dian)容(rong)的(de)接(jie)口(kou)提(ti)供(gong)了(le)成(cheng)本(ben)極(ji)低(di)的(de)電(dian)池(chi)組(zu)間(jian)隔(ge)離(li)，消(xiao)除(chu)了(le)級(ji)聯(lian)電(dian)氣(qi)故(gu)障(zhang)。由(you)於(yu)省(sheng)去(qu)了(le)昂(ang)貴(gui)的(de)隔(ge)離(li)元(yuan)件(jian)，美(mei)信(xin)的(de)方(fang)案(an)比(bi)分(fen)立(li)方(fang)案(an)節(jie)省(sheng)75%的空間，將典型的電池管理係統成本從250美元降低至50美元。此外，MAX11080具有業內最高的精度
、極低的功耗、集成的安全和自診斷功能、以及多個可配置功能，有效解決了大容量電池組安全監控相關的問題。

相對於傳統汽車電源而言，混合動力汽車的電源功率更大

，電壓更高。“對dui於yu電dian源yuan管guan理li而er言yan
，需xu要yao管guan理li的de對dui象xiang不bu是shi單dan個ge電dian源yuan，而er是shi由you電dian池chi單dan元yuan串chuan連lian和he並bing聯lian之zhi後hou的de大da規gui模mo電dian池chi陣zhen列lie


，由you於yu電dian池chi單dan體ti在zai生sheng產chan的de差cha異yi性xing導dao致zhi給gei電dian源yuan管guan理li帶dai來lai很hen大da的de工gong作zuo負fu擔dan
，需xu要yao對dui每mei個ge電dian池chi單dan元yuan的de健jian康kang狀zhuang況kuang進jin行xing監jian控kong和he調tiao整zheng。”英飛淩科技(中國)有限公司汽車電子業務部高級市場工程師曹洪宇補充道，“另外在整個係統運行過程中也要很好的處理突發的功率需求和刹車能量回饋帶來的衝擊。安全＋響應速率就決定了係統的成敗。”[page]

由於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。Atmel公司的次級保護器件ATA6871提ti供gong了le一yi種zhong特te殊shu的de安an全quan策ce略lve，監jian控kong電dian池chi單dan元yuan的de電dian壓ya和he溫wen度du，防fang止zhi鋰li離li子zi電dian池chi發fa生sheng熱re失shi控kong或huo爆bao炸zha。一yi旦dan電dian池chi單dan元yuan發fa生sheng上shang述shu其qi中zhong一yi項xiang異yi常chang情qing況kuang，便bian會hui通tong過guo緊jin急ji繼ji動dong裝zhuang置zhi予yu以yi關guan斷duan。ATA6871daiyouwuxuwaibuweikongzhiqihuoruanjianjiunenggouyunxingdeneijianziwoceshichengxu，yijiyouyingjianshixiandejiankongyuzhi

，nenggoutigonganquanjibiezuigaodelilizidianchijiankonggongneng。jishichujiqijianbeisunhuai
，yekeyiquebaozhengchangdeyunzuo。

對dui鋰li電dian池chi組zu安an全quan的de群qun體ti性xing擔dan憂you，促cu使shi業ye界jie研yan發fa更geng為wei精jing密mi安an全quan的de電dian池chi檢jian測ce管guan理li芯xin片pian，汽qi車che半ban導dao體ti廠chang商shang不bu斷duan地di推tui出chu新xin的de電dian池chi管guan理li和he功gong率lv解jie決jue方fang案an，力li圖tu在zai確que保bao安an全quan的de前qian提ti下xia延yan長chang電dian池chi的de壽shou命ming，並bing降jiang低di成cheng本ben
、體積和重量。

挑戰二：掃除高壓電氣係統的障礙

HEV設計的另一個挑戰是高電壓。傳統轎車使用的是12V的電源係統
，而輕度、全麵及插電式HEV卻需要600V到1,200V之間的高電壓電子係統，這使設計更具挑戰性。

“HEV最重要的革命性改變是動力係統的電氣化，它要求大動力的電動引擎
，並且必須在比標準12V內燃引擎推動的汽車更高的電壓下運行。另外，HEV的電池和能源管理是基於12V和一個數百伏的高電壓電池的雙電網，以及對汽車領域來說屬於嶄新設計的DC/DC轉換器和功率管理方案。”國際整流器公司(IR)汽車產品副總裁及總經理HenningM.Hauenstein博士指出：

HEV的汽車結構需要使用高電壓。因此

，功率管理IC必須承受典型600V的電壓水平，在一些大馬力的HEV型號中更可能要承受高達1,200V的電壓。IR有為輕型混合動力汽車提供先進的電機驅動解決方案



，而那些在10-15kW範圍的動力係統電機，通常會使用擁有600V能力的產品。至於全混合動力和插電式混合動力汽車，以及那些電機高達

，甚至超出100kW的電動汽車，IR有高達1,200V的開關和驅動IC供應。

相關的功率IC除了需要高達600V到1,200V的高電壓能力外，也需要驅動逆變器和DC/DC轉換器中前所未見的電流密度的開關。功率IC要麵對這樣的高功率、高電壓以及高能源，就要以堅固耐用、可靠性和安全作為主要的條件。Hauenstein博士表示
，“IR非常重視電機驅動IC的保護功能，例如它們在HEVqianyindianjichuxianyanzhongguzhangheduanlushi
，mianchuleweixingkongzhiqidehudongxuyao。womenshiyejielvxianweifudianyajianfengmianyixingyinruanquancaozuoquzhibiaodegongsi，yinweizhegewentizaiHEV逆變器中，開關高電流、高電壓IGBT時十分常見。”

IGBT位於逆變器中
，為混合係統的電機提供能量。英飛淩IGBT技術可為HEV動力係統帶來諸多優勢。溝槽場終止技術可降低傳導損耗和開關損耗，同時可使尺寸縮小30%。英飛淩結合溝道場終止IGBT(絕緣柵雙極晶體管)技術和Emcon二極管技術進行開發的HybridPACK1功率模塊用於輕度混合動力汽車；HybridPACK2則完全混合動力汽車應用。

幾年前，汽車中的功率器件大多數都是55V到60V的MOSFET
，主要用於汽車的動力傳動係統。現在的汽車則采用20V到600V的功率器件。對於動力轉向及製動這類應用
，開發工程師正在尋找具有低導通阻抗的高性能低壓溝道型MOSFET，以降低汽車的功耗。

IR由體積最小的HEV，也就是所謂微型混合動力汽車開始

，為它們的啟動/停止功能提供極為耐用的MOSFET。啟動/tingzhigongnengrangqichezaijiaotongdengqiantingchehuozhexiashanshizidongtingzhineiranyinqingcaozuo，erxiangguandezhidongnengliangbiankeyibuchonggeidianchi。pinfandeyinqingfadong，shiqidongqihuozhejichengshiqidongfadianjiyaoqiufeichangnaiyongdegonglvguanlifangan，zheshiyinweidangniyichechifadongqicheshi，putongdeqidongqizhihuifadongyinqingyici，danjichengshiqidongfadianjizeyaozaipinfandeqidong/停止周期中應付高得多的功率。IR的AUIRS2003S是一款高功率MOSFET驅動器
，並備有高、低di側ce參can考kao輸shu出chu通tong道dao
，適shi用yong於yu惡e劣lie的de汽qi車che環huan境jing及ji引yin擎qing罩zhao下xia的de應ying用yong。這zhe款kuan輸shu出chu驅qu動dong器qi具ju有you高gao脈mai衝chong電dian流liu緩huan衝chong級ji


，可ke將jiang驅qu動dong器qi跨kua導dao降jiang至zhi最zui低di，而er浮fu動dong通tong道dao可ke在zai最zui高gao200V的高側配置中驅動一個N溝道功率MOSFET。該器件還提供低靜態電流，可為高側電路帶來低成本自舉電源。

為了滿足電池和功率管理
、以及相關的DC/DC轉換器的要求
，IR的HEV方案係列也包括了具備非常低EMI和優化了的開關性能的驅動器及開關。例如最新的DirectFETMOSFET產chan品pin便bian完wan全quan不bu用yong鍵jian合he線xian
，並bing且qie因yin為wei消xiao除chu了le大da部bu分fen的de寄ji生sheng電dian感gan，以yi及ji具ju備bei最zui小xiao的de封feng裝zhuang電dian阻zu，所suo以yi能neng夠gou提ti供gong最zui佳jia的de開kai關guan性xing能neng。除chu了le領ling先xian行xing業ye的de低di導dao通tong電dian阻zu、卓越的開關性能和增強了的溫度能效(例如雙側散熱)，這款十分先進的無鍵合線芯片尺寸封裝讓設計的體積顯著減小，特別適用於高功率要求或者如HEVDC/DC轉換器這些快速開關應用。

AllegroMicroSystems公司具有故障診斷和報告功能的全橋式MOSFET預驅動器A4940，采用超小型封裝，提供靈活的輸入接口、自舉監控電路、寬泛的工作電壓(5.5至50V)和溫度(40℃至+150℃)範圍。該器件特別針對使用大功率電感負載(如：直流電刷電動機)的汽車應用而設計。

壓電噴射或高強度照明等其它應用需要100V到200V的功率器件和驅動器。而點火IGBT和混合動力電動汽車在使用300V到1,000V以上的IGBT。飛兆半導體公司的柵極驅動器FAN7080x係列
，讓工程師開發出在所有操作條件下更準確、精密的燃油噴射控製係統，從而提高燃油效率。這些柵極驅動器在高側和橋驅動器應用中驅動MOSFET和IGBT，如直接燃油噴射係統和電機控製。與市場上同類器件相比，它們的靜態功耗減少一半以上(靜態電流100μA對比240μA)，容許設計人員優化係統和擴大工作範圍。

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

，吸引功率半導體廠商紛紛瞄準這個龐大的市場。ISuppli曾預測汽車IGBT市場有望以17.2%的年複合增長率高速發展，位居汽車電源管理器件之首，MOSFET市場增長居其次。雖然在未來幾年中混合動力車輛還將隻是占據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。