基于 AMR 的電流感應(yīng)助力下一代電動(dòng)汽車充電

擴(kuò)大和升級(jí)電動(dòng)汽車 (EV) 和其他動(dòng)力移動(dòng)應(yīng)用的充電基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于提高社會(huì)接受度至關(guān)重要。實(shí)施強(qiáng)大、有效的 EV 充電系統(tǒng)是解決范圍焦慮和充電速度等問題的方法。市場(chǎng)機(jī)會(huì)正在增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到 2025 年電動(dòng)汽車充電裝置將超過 900 萬(wàn)臺(tái)。本文探討了基于 AMR 的電流傳感如何使電動(dòng)汽車和相關(guān)充電基礎(chǔ)設(shè)施受益。

擴(kuò)大和升級(jí)電動(dòng)汽車 (EV) 和其他動(dòng)力移動(dòng)應(yīng)用的充電基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)于提高社會(huì)接受度至關(guān)重要。實(shí)施強(qiáng)大、有效的 EV 充電系統(tǒng)是解決范圍焦慮和充電速度等問題的方法。市場(chǎng)機(jī)會(huì)正在增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到 2025 年電動(dòng)汽車充電裝置將超過 900 萬(wàn)臺(tái)。本文探討了基于 AMR 的電流傳感如何使電動(dòng)汽車和相關(guān)充電基礎(chǔ)設(shè)施受益。

電流感測(cè)的作用

改進(jìn)的各向異性磁阻 (AMR) 電流感應(yīng)技術(shù)使我們家庭和商業(yè)場(chǎng)所的電力基礎(chǔ)設(shè)施能夠解決 EV 充電系統(tǒng)的可靠性和安全性問題。有效的電源管理可避免性能不佳和災(zāi)難性故障等問題，這些問題會(huì)造成嚴(yán)重的火災(zāi)危險(xiǎn)和潛在的死亡事故。電流檢測(cè)技術(shù)增強(qiáng)了系統(tǒng)功能并直接解決了可靠性和安全問題。關(guān)鍵要素包括測(cè)量電流、確保的功率因數(shù)校正、有效的頻率管理以及解決與提高任何特定電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的效率、安全性和性能相關(guān)的熱問題。

為了預(yù)測(cè)和處理潛在有害的電源轉(zhuǎn)換問題，EV 電池充電系統(tǒng)必須能夠管理超出范圍的電流情況、立即檢測(cè)過流情況或識(shí)別其他性能損失。問題可能包括意外的接地故障、短路、在極高功率水平下運(yùn)行或超出電源電路容量的欠載情況。先進(jìn)的電流測(cè)量是防止電子設(shè)備損壞的過電流和欠電流的重要組成部分，尤其是在 EV 充電系統(tǒng)的速率和強(qiáng)度下。

過去基于熔斷器的電路保護(hù)已不再足夠。先進(jìn)的電流檢測(cè)還可以提高性能，同時(shí)保護(hù) EV 充電電路和連接到它的任何車輛電池免遭惡意或無(wú)意的誤用。當(dāng)采用磷酸鐵鋰 (LFP) 或鈦酸鋰 (LTO) 技術(shù) (SoF) 時(shí)，庫(kù)侖計(jì)數(shù)可用于確定電池的充電狀態(tài) (SoC)、健康狀態(tài) (SoH) 和功能狀態(tài)。

電路保護(hù)

使用ACEinna等 AMR 電流感應(yīng)工具，任何過流檢測(cè)響應(yīng)都可以更好地執(zhí)行。此外，AMR 電流傳感器的固有隔離使其適用于電路的高側(cè)和低側(cè)，從而提高了性能和安全性。這些非接觸式電流傳感器沒有功耗問題，提供更快的讀出時(shí)間，并使用有源反饋回路來(lái)校正偏移。這允許充電器修改增益參數(shù)并補(bǔ)償傳感器偏移。

過流和欠流保護(hù)、智能故障管理以及外力和輕微損壞等意外安全隱患都取決于快速和的電流檢測(cè)。由于它們的密切關(guān)系，電源管理和熱管理是同義詞。

電動(dòng)汽車中的電流感應(yīng)

對(duì)于基于交流電的 EV 充電系統(tǒng)，功率轉(zhuǎn)換器的接受率控制著充電速度，充電速度因需要對(duì)交流電進(jìn)行整流而降低。直流充電器完全避開轉(zhuǎn)換器，加速充電過程。現(xiàn)代電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)可以解決熱量問題，提供的功率因數(shù)校正，并通過改進(jìn)電流感應(yīng)來(lái)增強(qiáng)頻率管理。無(wú)論原因是接地故障、短路事件還是高負(fù)載條件，都可以通過電流測(cè)量來(lái)控制系統(tǒng)熱性能，從而避免系統(tǒng)損壞。

與簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器和比較器實(shí)施相比，新納電流檢測(cè)解決方案的集成封裝節(jié)省了空間。集成設(shè)備將始終小于由分立部件組裝而成的設(shè)備。

功率因數(shù)校正 (PFC) 可提高功率因數(shù)比，降低電網(wǎng)壓力，提高能源效率并降低電價(jià)。電能質(zhì)量(圖 1)是優(yōu)化充電的重要組成部分。有效的低壓側(cè)電流檢測(cè)提高了電源可用性。除了比分流器更小之外，基于 AMR 的電流傳感器也更有效并且產(chǎn)生的熱量更少。此外，與基于霍爾的系統(tǒng)相比，AMR 芯片具有更大的工作帶寬和更高的采樣率。

AMR傳感器的優(yōu)勢(shì)

AMR 傳感器利用電流流過導(dǎo)線時(shí)產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)量與其感應(yīng)方向平行的磁場(chǎng)強(qiáng)度。放置在 AMR 材料上的 U 形導(dǎo)體是傳感器測(cè)量磁場(chǎng)的方式。當(dāng)導(dǎo)體攜帶相關(guān)電流時(shí)，磁場(chǎng)會(huì)圍繞導(dǎo)體。

AMR 傳感器位于相對(duì)的載流導(dǎo)體頂部，距其對(duì)稱軸的距離相同。輸出信號(hào)由平行于 AMR 傳感器感應(yīng)方向的磁場(chǎng)強(qiáng)度決定。該測(cè)量值被傳感器轉(zhuǎn)換為電壓輸出。

一種稱為坡莫合金的鎳鐵合金具有在磁場(chǎng)中按比例變化的電阻，而無(wú)需接觸產(chǎn)生它正在監(jiān)測(cè)的磁場(chǎng)的電路。因此，就像變壓器一樣，AMR 芯片也是電隔離的。它們還可以加快讀取速度，同時(shí)通過有源反饋回路主動(dòng)補(bǔ)償傳感器偏移，從而允許電路修改增益參數(shù)。

結(jié)論

為了對(duì)電力電子設(shè)備提供必要的反饋，大功率 EV 快速充電應(yīng)用需要改進(jìn)電流測(cè)量。有多種電流感測(cè)方法，每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。性能、可靠性和安全性都是基于 AMR 的電流感測(cè)解決方案所提供的因素。它們還有助于電路保護(hù)、降低成本、縮小外形尺寸和應(yīng)對(duì)關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

25倍產(chǎn)能提升，羅姆開啟十年SiC擴(kuò)張之路

在過去的兩三年里，晶圓供應(yīng)短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級(jí)玩家已經(jīng)意識(shí)到必須擴(kuò)大投資，以支持供應(yīng)鏈建設(shè)，而以羅姆(ROHM)為代表的日系廠商就是SiC市場(chǎng)的一支重要力量。

碳化硅(SiC)作為半導(dǎo)體材料具有優(yōu)異的性能，尤其是用于功率轉(zhuǎn)換和控制的功率元器件。但SiC在天然環(huán)境下非常罕見，最早是人們?cè)谔?yáng)系剛誕生的46億年前的隕石中發(fā)現(xiàn)了少量這種物質(zhì)，所以其又被稱為“經(jīng)歷46億年時(shí)光之旅的半導(dǎo)體材料”。

Yole預(yù)計(jì)，未來(lái)5年內(nèi)，將有數(shù)十億美元投資于晶體和晶圓制造以及設(shè)備加工，SiC功率器件將很快占據(jù)整個(gè)功率器件市場(chǎng)的30%。到2027年，其市場(chǎng)潛力將達(dá)到60億美元，高于2021年的約10億美元。

但在過去的兩三年里，晶圓供應(yīng)短缺一直是制約SiC產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重大瓶頸之一。面對(duì)不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，包括晶圓廠在內(nèi)的眾多重量級(jí)玩家已經(jīng)意識(shí)到必須擴(kuò)大投資，以支持供應(yīng)鏈建設(shè)，而以羅姆(ROHM)為代表的日系廠商就是SiC市場(chǎng)的一支重要力量。

10年，25倍產(chǎn)能提升

羅姆公司從2000年就開始進(jìn)行SiCMOSFET的基礎(chǔ)研究，并在2009年收購(gòu)德國(guó)SiC晶圓材料廠商SiCrystal，從而擁有了從晶棒生產(chǎn)、晶圓工藝到封裝組裝的完全垂直整合的制造工藝。其里程碑事件包括2010年全球首發(fā)SiCSBD(肖特基二極管)/MOS并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)、2012年全SiC模塊量產(chǎn)、2015年溝槽型SiCMOS量產(chǎn)、2017年6英寸SiCSBD量產(chǎn)、以及在2021年發(fā)布了第4代溝槽SiCMOSFET，并有望在今年實(shí)現(xiàn)8英寸SiC襯底的量產(chǎn)和明年推出全SiC牽引功率模塊。

在中國(guó)國(guó)內(nèi)，羅姆近兩年內(nèi)也與大量客戶展開了合作，包括2020年與緯湃科技、臻驅(qū)科技合作開發(fā)碳化硅電源解決方案;2021年與吉利簽署了戰(zhàn)略合作協(xié)議，與正海集團(tuán)成立碳化硅功率模塊合資公司海姆?？?2022年，Lucid公司OBC應(yīng)用了羅姆的SiCMOSFET。同年，羅姆的SiCMOSFET也通過了賽米控公司的認(rèn)證，應(yīng)用在其eMPack?模塊中。

市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2013年羅姆在全球SiC市場(chǎng)的份額為12%，到2018年已增長(zhǎng)至23%。面對(duì)市場(chǎng)對(duì)SiC產(chǎn)品急速增長(zhǎng)的需求，羅姆制定了積極的產(chǎn)能擴(kuò)張計(jì)劃，準(zhǔn)備在2021-2025年為SiC業(yè)務(wù)投入1700-2200億日元，這一計(jì)劃的實(shí)現(xiàn)將依托于羅姆位于宮崎的兩個(gè)基地和筑后工廠新廠房的投入使用。相比2021年，預(yù)計(jì)2025年SiC產(chǎn)能將提升6倍，到2030年提升25倍。

SiC最初的應(yīng)用場(chǎng)景主要集中在光伏儲(chǔ)能逆變器、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器UPS電源和智能電網(wǎng)充電站等需要轉(zhuǎn)換效率較高的領(lǐng)域。但人們很快發(fā)現(xiàn)，碳化硅的電氣(更低阻抗/更高頻率)、機(jī)械(更小尺寸)和熱性質(zhì)(更高溫度的運(yùn)行)也非常適合制造很多大功率汽車電子器件,例如車載充電器、降壓轉(zhuǎn)換器和主驅(qū)逆變器。尤其是部分汽車廠商采用了SiC器件之后，使xEV汽車市場(chǎng)很快成為SiC市場(chǎng)興奮的源泉。

下圖展示了功率半導(dǎo)體器件的使用場(chǎng)景。如果以開關(guān)頻率作為橫坐標(biāo)，輸出功率或電壓作為縱坐標(biāo)，那么SiC-MOSFET的應(yīng)用主要集中在相對(duì)高頻高壓的區(qū)域，Si-IGBT/Si-MOSFET/GaNHEMT則分別對(duì)應(yīng)高壓低頻、高頻低壓和超高頻低壓應(yīng)用。

功率半導(dǎo)體器件使用場(chǎng)景總結(jié)

據(jù)羅姆半導(dǎo)體(上海)有限公司技術(shù)中心副總經(jīng)理周勁的介紹，該公司2021年推出的第4代SiC器件的導(dǎo)通電阻(RonA)較第3代下降了40%，預(yù)計(jì)2025年和2028年節(jié)點(diǎn)推出的第5代和第6代產(chǎn)品還將再降30%。另外，羅姆在今年將實(shí)現(xiàn)從6英寸升級(jí)到8英寸襯底的量產(chǎn)，并且通過技術(shù)提高單個(gè)元件尺寸，從目前主流的25平方毫米到2024年實(shí)現(xiàn)50平方毫米以支持更高電流輸出的需求。

第4代SiC功率器件

總體來(lái)說(shuō)，相較于第3代，羅姆第4代SiC功率器件在低損耗、使用簡(jiǎn)單、高可靠性上表現(xiàn)突出。例如導(dǎo)通阻抗從30毫歐降低至18毫歐，降幅達(dá)到40%，改善了開關(guān)特性，提高了效率，減少了發(fā)熱和誤開通;8-15V的柵極驅(qū)動(dòng)電壓可以與IGBT等廣泛應(yīng)用的柵極驅(qū)動(dòng)電路通用;750V耐壓可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì);通過減小飽和電流去優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)通阻抗和短路耐受時(shí)間這兩個(gè)參數(shù)的折中，以提高可靠性。

低損耗

RonA的改善，可在同等芯片尺寸的條件下實(shí)現(xiàn)約40-57%ON阻抗的減小，使導(dǎo)通損耗得以降低。熱探頭拍攝的照片顯示了這一特性，如圖所示，第3代產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用溫度達(dá)到了92度，更換為第4代產(chǎn)品后，只有71度。

此外，開關(guān)特性也得以大幅提升。對(duì)比數(shù)據(jù)顯示，導(dǎo)通阻抗大致等同的器件的條件下，開關(guān)損耗有66%的降低。能夠?qū)崿F(xiàn)高驅(qū)動(dòng)頻率，為外圍器件及散熱器的小型化做出了貢獻(xiàn)。同時(shí)，Crss/Ciss的容量比的改善抑制了自關(guān)斷，柵極和源極間電容值的降低有助于實(shí)現(xiàn)高速開關(guān)動(dòng)作。

這意味著，在將第3代換為第4代產(chǎn)品的過程中，如果重視導(dǎo)通損耗，就大幅度降低導(dǎo)通阻抗，如前文所述，導(dǎo)通阻抗會(huì)降低40%;如果重視開關(guān)損耗，就使用同等的25度額定電流產(chǎn)品。與同類產(chǎn)品相比，全負(fù)載/1000-5000W范圍內(nèi)，羅姆的產(chǎn)品有效率上的提升。而在高頻率開關(guān)條件(100KHz)下的Boost-Inverter應(yīng)用電路中，得益于第4代產(chǎn)品具備更好的高速開關(guān)特性，使得產(chǎn)品開關(guān)損耗小，同樣實(shí)現(xiàn)了全負(fù)載范圍內(nèi)的高效率。

*以上測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)自5kWDCDC轉(zhuǎn)換器試驗(yàn)機(jī)，謹(jǐn)供參考。

使用簡(jiǎn)便

所謂的使用簡(jiǎn)便，第一個(gè)就是柵極驅(qū)動(dòng)電壓為8-15V，使得與IGBT等共用柵極驅(qū)動(dòng)電路成為可能。下圖左側(cè)，第3代產(chǎn)品在15V和18V驅(qū)動(dòng)時(shí)的導(dǎo)通阻抗差為30%，也就是說(shuō)，如果我們要用15V與IGBT通用的電壓驅(qū)動(dòng)，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)SiCMOSFET的理想狀態(tài)。但演進(jìn)到第4代后，15V跟18V兩種驅(qū)動(dòng)電壓的導(dǎo)通阻抗差值只有11%，可以滿足一般狀態(tài)下的碳化硅全負(fù)載驅(qū)動(dòng)。但需要強(qiáng)調(diào)的是，如果處于重負(fù)載狀態(tài)下，仍然還是推薦18V以上的驅(qū)動(dòng)電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的導(dǎo)通阻抗的情況。

其次，無(wú)負(fù)壓驅(qū)動(dòng)可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)損耗。羅姆第4代SiCMOSFET門限電壓較高，0V可有效關(guān)斷，同時(shí)寄生電容的減小，也會(huì)抑制器件的誤開啟。

第三是在內(nèi)部柵極電阻阻值方面，第3代產(chǎn)品為7歐姆，而第4代只有1歐姆。這樣，在外圍調(diào)整整個(gè)開關(guān)特性時(shí)，調(diào)整裕量會(huì)增大不少，電路設(shè)計(jì)會(huì)更加靈活，更容易實(shí)現(xiàn)客戶需求。高可靠性

盡管縮減了芯片尺寸并增大了電流密度，但由于采用了獨(dú)特的器件結(jié)構(gòu)，羅姆突破了RonAvs.SCWT的折中限制，實(shí)現(xiàn)了比同類產(chǎn)品更高的短路耐受時(shí)間。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在降低RonA的同時(shí)，飽和電流下降，短路時(shí)的峰值電流較低，成功延長(zhǎng)了短路耐受時(shí)間。

在實(shí)際應(yīng)用中，以6000W車載充電器為例，對(duì)比IGBT、Hybrid-IGBT、SJ-MOS、SiCMOSFET四種方案可以發(fā)現(xiàn)，從電路效果來(lái)看，最好的是SiCMOSFET，IGBT則器件損耗較高。當(dāng)然，如果從成本角度考慮，IGBT也是可以使用的，特別是在一些低負(fù)載應(yīng)用的場(chǎng)合，SJ-MOS也有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。

審核編輯：湯梓紅