集成1700V SiC MOSFET车规高压开关不仅是多个第一
日期：2022-02-16
作者：PSDC主编
多年来，Power Integrations（PI）不断将许多用于消费类电子AC-DC的产品推向市场，数量和占有率相当可观。现在，凭借长期致力于高效功率应用的能力，PI又将其AC-DC扩展到汽车类应用，特别是轻型电动汽车高压功率架构，这对PI来说可是一个新的应用领域。
PI资深技术培训经理阎金光先生表示：“我们希望利用大批量交付能力和高品质、低失效率（PPM）产品，实现汽车应用的安全性和非常高的可靠性要求。将消费类电子AC-DC的应用经验应用到新的领域，让汽车客户放心使用PI的高品质产品。”
新产品的几个第一
内部集成1700V碳化硅（SiC）MOSFET的两款汽车级高压开关IC属于InnoSwitch™3-AQ（AQ表示汽车认证产品）产品系列阵容，是业界首款采用碳化硅初级开关MOSFET的汽车级开关电源IC，不仅能显著减少元件数量，还可大幅提高电动汽车和工业应用的效率。
新发布的两款器件（INN3947CQ和INN3949CQ）为InnoSwitch™3-AQ系列增加了符合AEC-Q100标准的产品，可提供高达70W的输出功率，主要用于600V和800V纯电池和燃料电池乘用车，还可以用于电动巴士、电动卡车和各种工业电源应用。
新器件不仅是业界唯一通过AEC-Q100认证且高度集成的1700V开关的IC，而且目前市场上没有可以与其相匹敌的SSR（次级反馈）方案。PI是唯一一家既可以做高压输入高母线电压应用，同时又实现次级电压精准控制方案的公司。
另一个第一是，在之前PI的所有系列产品中，干脆就没有看到过SiC这三个字母，现在的新产品是PI第一款集成的碳化硅器件。
为什么推出高耐压产品？
阎金光介绍说，新产品的主要用途是电动汽车应急电源，集成1700V碳化硅MOSFET主要是为了顺应现在汽车母线电压越来越高的趋势，这些产品适用于600V至1200V母线电压汽车应用，完全是趋势使然。
他表示，以前PI曾推出过900V耐压的InnoSwitch3-AQ，其主要应用是400V母线电压的电动乘用车。随着高端豪华车，如保时捷、奥迪、Lucid Air使用了900V母线电压，对汽车级开关电源IC的要求不断提升。由于功率等于电压×电流，在同样功率下，提高母线电压就可以将电流做小，减小电流就可以减少电路损耗。内部电流无论怎么流动，都要通过导体、导线连接，而电阻上的损耗等于I2×电阻值，所以在同样功率情况下提高母线电压电流减小，与电流相关的导线损耗就会降低，可以用更细的导线，整车重量和体积都会下降，对续航里程非常有帮助。比较表明，与400V相比，采用900V母线电压产生的热量损耗是原来的1/5，大大提升了电动汽车的效率。
另外，提高母线电压可以大幅缩短电池充电时间。一年半之前的预测显示，大概有20%的车会改为900V母线电压，现在已经大概有50%甚至以上的新车型都在采用900V的母线电压。以后的趋势甚至会有1000V到1200V母线电压的电动汽车上市。
如何满足应急电源特殊要求？
阎金光指出，应急电源对开关管耐压有更高的要求，这也是发布一款1700V碳化硅MOSFET的原因。在应急电源中，不仅要适应更高的输入母线电压，同时还要保证在30VDC时也能够正常工作，这是汽车应急电源功能性安全的指标要求。也就是说，正常情况下是800V母线给牵引逆变器供电，12V低压电池给牵引逆变器的控制电路供电，一旦12V电池出现故障，应急电源就要开始工作，其目的是将800V母线电压降到低压，为牵引逆变器驱动及其它控制电路供电。
出于安全性考虑，作为移动交通工具，汽车在故障情况或撞车时，不能因12V电池坏掉而产生安全性问题，所以汽车对安全性、可靠性的要求非常高。应急电源输入电压适应范围很宽，要求必须能够在母线电压低于60V时仍能提供控制电路所需的功率。
InnoSwitch3-AQ IC采用InSOP-24D封装和AC-DC常见的反激电源拓扑结构，两端电压接电池母线，其输出为牵引逆变器驱动及其它控制电路。在传统方案中，对这么高的输入电压（1200V母线电压），要相应增加MOS管的耐压。所以，对应高母线电压应用是使用StackFET，在低耐压InnoSwitch3-AQ上再叠加另一个MOS管，目的是通过串联增加耐压。但是要开通上面的管子，还要加一些额外电路。现在有了1700V的InnoSwitch3-AQ，就不需要再加这些额外的MOS管和相应的驱动电路。
跟以前StackFET架构相比，其最大的不同是在原来比较精简的电路基础上进一步减少了外围元件。
AC-DC应用设计要考虑什么？
回到AC-DC应用，目前车用市场上有两种母线电压：400V和800V。400V低端车用的比较多，是标称电压，最低电压可能到320V。现在，所有电动汽车制造厂商都在尽量提高电压，目的是减小电流，降低损耗，400V范围在380V到450V之间，而800V最高电压会达到950V。
这是怎么计算的？阎金光解释说，以800V电压为例，在电动汽车踩刹车时，母线两端就会出现反向电动势；电动汽车充电时充电电压也肯定比电池两端电压高，一般要留15%裕量，所以800V母线电压×15%等于920V。在做反激电源设计时，还要考虑输出反射电压及漏感的影响，因为MOS管除了承受输入电压外，还要承受变压器绕组上的反射电压。反射电压一般是按照正常匝数比设计的，可能在120V左右。所以，MOS管关断时，920V最大值再加上120V，其两端电压可达1040V。
设计还要留一定裕量，比如80%的降额，把降额算进去，1040V的耐压要达到1300V。对应标称900V母线电压，在MOS管两端真正呈现的电压会达到1300V。所以市场上以前的方案往往是选用耐压为1500V的汽车认证MOS管来做高输入母线电压应用。
PI现在采用1700V碳化硅MOS管，裕量没有问题，即使将来母线电压升高到1200V、1500V，也可以用现在的1700V碳化硅MOS管。在InnoSwitch3-AQ中，初级和次级侧分别有两个控制器。控制器是以次级侧控制器作为主控制器，即初级MOS管的开通来自于次级侧控制器的指令。初级侧控制器收到次级侧控制指令后MOS管开通。开通后的关断由初级侧控制来执行，当开关管达到一定峰值电流后，初级侧MOSFET关断。
为了提升效率，在次级侧有同步整流驱动，它来自于次级侧控制器。如果用分立元件做，在次级侧往往有另一个独立的同步整流控制器。这种独立的控制器可能会在一些故障情况下出现不应有的驱动脉冲，使开关管误开通。PI用同一个控制器来控制初级侧功率管，也控制次级侧同步整流管，就可以将这两个管做到非此即彼，不会出现共同导通现象。这是与分立元件相比的优势所在，而共同导通是反激电源中不能接受的。
几乎成为标配的FluxLink™
同步整流可以提高效率，由于是次级侧电压检测，所以输出非常精确。当然，初级和次级之间不需要加光耦器，而是用PI之前许多产品中都有的FluxLink™磁感耦合方式进行通信。
阎金光这样解释，在汽车应用中，很多汽车制造厂商不喜欢用光耦器，这是因为光耦器会随着温度和使用寿命延长发生传输特性的变化。其安全可靠性难以满足汽车这类有很高安全性要求的应用。所以，很多方案都是用PSR来做，即初级侧恒压。实际上PSR的输出稳压精度没有那么高，因为它是通过初级侧偏置绕组进行检测，采用SSR时输出电压、电流都是次级侧直接检测，相对初级稳压电路工作方式，可以达到更高的精度。精度的增加极大地节省了整个系统的成本。
传统方式下，如果稳压精度不高，就会加第二级稳压电路，不但会增加元件数目，还会影响整体电源效率。在提高母线电压的应用中，采用FluxLink™可以充分保证绝缘强度，满足AEC-Q100汽车级认证，并在初级侧集成1700V碳化硅MOS管。
在分立元件方案中，有时会加一些启动电阻来控制启动，汽车应急电源一般要求60V以下能够工作，而新器件的性能优势是支持30V启动。得益于InnoSwitch3漏极自供电启动，满载输出功率可以保证在30W到70W。
应急电源输出是为后面的牵引逆变器驱动及其它控制电路供电，包括有源短路电路和一些主动放电电路。因为800V只给牵引逆变器母线（电机）供电，但电机下面的驱动电压，包括汽车中控制电路的一些电压都比较低，要靠12V母线供电；而在12V电池组坏掉时，要由应急电源供电。采用1700V耐压碳化硅后，可以将电源元件数目缩减50%，把PCB板面积做得很小，电路所占空间的减小有利于使用更小的金属外壳，减轻整车的重量，增大续航力。
汽车不像消费类电子，与人的生命息息相关，出现故障或反应迟钝都会造成生命财产危险。汽车可靠性与元器件数目有很大关系，元件数目多，可靠性就会下降，而用更少的元件设计应急电源可以充分提高汽车的安全性和可靠性。
调整率方面，输出电压可以做到正负2%精度，因为次级侧电压检测精度更高，可以节省一些后级DC-DC电路，降低成本和元件数目。FluxLink™的环路响应速度非常快，好处是输出端可以用更小的输出电容。虽然输出电容越大动态响应越好，但增加电容就会使PCB面积增大，成本也会增加。而且，大于90%的效率可以减少发热，效率高就可以不用散热片。加散热片涉及固定、震动，都会对可靠性产生影响，体积也不能做得很小。
所有汽车厂商都有最低效率要求，汽车不是总在最大负载下工作，速度比较慢时负载就比较轻，所以轻载效率对整个汽车的续航力也有影响。根据控制方式，在不同负载情况下，新器件都可以保持电源效率恒定。
另外，汽车长期不开母线电池也会供电，如果电源功耗比较高，电池自放电就很严重，会影响电池续航能力，所以电源空载功耗对电池自放电有影响。新器件的空载功耗可以做到小于15mW。
从系统层面看，稳压精度高就不需要后级的DC-DC稳压电路，三相牵引逆变器有6个开关管，下管驱动的DC-DC电路可以省掉。在反激电源中还可以做多路输出，满足各个子系统的不同输出电压需求。
相见恨晚
阎金光说，在汽车设计验证期间，要求凡是连接至高压母线的元器件都要进行长时间的安全测试，包括开路、短路，因为母线电压很高，如果连接母线电压的元器件有问题造成电池短路，那将是灾难性的后果。应急电源中采用了1700V碳化硅开关管后，方案元件数目大幅度缩减，就没有很多元器件连接到母线电压，这样就大大缩短了汽车认证期间的验证时间，同时保护特性也都集成在IC内部，很受客户欢迎。
某些电动车设计厂商客户刚开始拿到Demo板时，都不太相信有这样的方案；做了测试后觉得确实不错，都有相见恨晚的感觉。因为在市场上很少有既有很高耐压的MOS管，又做到次级侧SSR稳压调整的产品。现在，用两个额定耐压1700V的新型号器件就可以输出50W和70W不同应急电源功率。以前的器件有700V、750V和900V，现在可以涵盖所有电动汽车系统电压，无论是400V、800V或将来的1200V、1500V母线电压。
除了满足汽车认证的产品型号以外，PI也在一些非汽车认证产品内部集成了1700V碳化硅MOS管，主要用在交流输入电压比较高（600Vac到1000Vac）的工业应用，如机器人、电焊机、三相电表和工业电机。
1700V InnoSwitch3-AQ有两款参考设计，DER-913Q-INN3947CQ和RDK-919Q-INN3949CQ，前者输出功率是35W，后者是60W，分别采用平面变压器和普通变压器的设计。两款设计的效率均做到90%以上。元件数目仅有40几个，相对于传统方案100多个元件的设计大大缩减。
趋势最重要
以前在谈到汽车母线电压时经常提到的是400V或800V，这个主要是对常见的乘用车而言。其实对于大马力的巴士车和卡车来讲，旧有设计经常使用的母线电压为600V。这些车型往往连续使用时间比较长，载重量大且要求更短的充电时间。对于这类高母线电压的应用，新器件都可以覆盖。
未来的趋势是，无论乘用车、巴士还是卡车，都会往更高母线电压的方向发展。当然，母线电压可以来自于纯电池，也可以是燃料电池，以前是高端乘用车才用高母线电压，现在所有车辆都会把母线电压提高。PI此时涉足这一市场可谓正是时候。
www.powerint.cn
多年来，Power Integrations（PI）不断将许多用于消费类电子AC-DC的产品推向市场，数量和占有率相当可观。现在，凭借长期致力于高效功率应用的能力，PI又将其AC-DC扩展到汽车类应用，特别是轻型电动汽车高压功率架构，这对PI来说可是一个新的应用领域。
PI资深技术培训经理阎金光先生表示：“我们希望利用大批量交付能力和高品质、低失效率（PPM）产品，实现汽车应用的安全性和非常高的可靠性要求。将消费类电子AC-DC的应用经验应用到新的领域，让汽车客户放心使用PI的高品质产品。”
新产品的几个第一
内部集成1700V碳化硅（SiC）MOSFET的两款汽车级高压开关IC属于InnoSwitch™3-AQ（AQ表示汽车认证产品）产品系列阵容，是业界首款采用碳化硅初级开关MOSFET的汽车级开关电源IC，不仅能显著减少元件数量，还可大幅提高电动汽车和工业应用的效率。
新发布的两款器件（INN3947CQ和INN3949CQ）为InnoSwitch™3-AQ系列增加了符合AEC-Q100标准的产品，可提供高达70W的输出功率，主要用于600V和800V纯电池和燃料电池乘用车，还可以用于电动巴士、电动卡车和各种工业电源应用。
新器件不仅是业界唯一通过AEC-Q100认证且高度集成的1700V开关的IC，而且目前市场上没有可以与其相匹敌的SSR（次级反馈）方案。PI是唯一一家既可以做高压输入高母线电压应用，同时又实现次级电压精准控制方案的公司。
另一个第一是，在之前PI的所有系列产品中，干脆就没有看到过SiC这三个字母，现在的新产品是PI第一款集成的碳化硅器件。
为什么推出高耐压产品？
阎金光介绍说，新产品的主要用途是电动汽车应急电源，集成1700V碳化硅MOSFET主要是为了顺应现在汽车母线电压越来越高的趋势，这些产品适用于600V至1200V母线电压汽车应用，完全是趋势使然。
他表示，以前PI曾推出过900V耐压的InnoSwitch3-AQ，其主要应用是400V母线电压的电动乘用车。随着高端豪华车，如保时捷、奥迪、Lucid Air使用了900V母线电压，对汽车级开关电源IC的要求不断提升。由于功率等于电压×电流，在同样功率下，提高母线电压就可以将电流做小，减小电流就可以减少电路损耗。内部电流无论怎么流动，都要通过导体、导线连接，而电阻上的损耗等于I2×电阻值，所以在同样功率情况下提高母线电压电流减小，与电流相关的导线损耗就会降低，可以用更细的导线，整车重量和体积都会下降，对续航里程非常有帮助。比较表明，与400V相比，采用900V母线电压产生的热量损耗是原来的1/5，大大提升了电动汽车的效率。
另外，提高母线电压可以大幅缩短电池充电时间。一年半之前的预测显示，大概有20%的车会改为900V母线电压，现在已经大概有50%甚至以上的新车型都在采用900V的母线电压。以后的趋势甚至会有1000V到1200V母线电压的电动汽车上市。
如何满足应急电源特殊要求？
阎金光指出，应急电源对开关管耐压有更高的要求，这也是发布一款1700V碳化硅MOSFET的原因。在应急电源中，不仅要适应更高的输入母线电压，同时还要保证在30VDC时也能够正常工作，这是汽车应急电源功能性安全的指标要求。也就是说，正常情况下是800V母线给牵引逆变器供电，12V低压电池给牵引逆变器的控制电路供电，一旦12V电池出现故障，应急电源就要开始工作，其目的是将800V母线电压降到低压，为牵引逆变器驱动及其它控制电路供电。
出于安全性考虑，作为移动交通工具，汽车在故障情况或撞车时，不能因12V电池坏掉而产生安全性问题，所以汽车对安全性、可靠性的要求非常高。应急电源输入电压适应范围很宽，要求必须能够在母线电压低于60V时仍能提供控制电路所需的功率。
InnoSwitch3-AQ IC采用InSOP-24D封装和AC-DC常见的反激电源拓扑结构，两端电压接电池母线，其输出为牵引逆变器驱动及其它控制电路。在传统方案中，对这么高的输入电压（1200V母线电压），要相应增加MOS管的耐压。所以，对应高母线电压应用是使用StackFET，在低耐压InnoSwitch3-AQ上再叠加另一个MOS管，目的是通过串联增加耐压。但是要开通上面的管子，还要加一些额外电路。现在有了1700V的InnoSwitch3-AQ，就不需要再加这些额外的MOS管和相应的驱动电路。
跟以前StackFET架构相比，其最大的不同是在原来比较精简的电路基础上进一步减少了外围元件。
AC-DC应用设计要考虑什么？
回到AC-DC应用，目前车用市场上有两种母线电压：400V和800V。400V低端车用的比较多，是标称电压，最低电压可能到320V。现在，所有电动汽车制造厂商都在尽量提高电压，目的是减小电流，降低损耗，400V范围在380V到450V之间，而800V最高电压会达到950V。
这是怎么计算的？阎金光解释说，以800V电压为例，在电动汽车踩刹车时，母线两端就会出现反向电动势；电动汽车充电时充电电压也肯定比电池两端电压高，一般要留15%裕量，所以800V母线电压×15%等于920V。在做反激电源设计时，还要考虑输出反射电压及漏感的影响，因为MOS管除了承受输入电压外，还要承受变压器绕组上的反射电压。反射电压一般是按照正常匝数比设计的，可能在120V左右。所以，MOS管关断时，920V最大值再加上120V，其两端电压可达1040V。
设计还要留一定裕量，比如80%的降额，把降额算进去，1040V的耐压要达到1300V。对应标称900V母线电压，在MOS管两端真正呈现的电压会达到1300V。所以市场上以前的方案往往是选用耐压为1500V的汽车认证MOS管来做高输入母线电压应用。
PI现在采用1700V碳化硅MOS管，裕量没有问题，即使将来母线电压升高到1200V、1500V，也可以用现在的1700V碳化硅MOS管。在InnoSwitch3-AQ中，初级和次级侧分别有两个控制器。控制器是以次级侧控制器作为主控制器，即初级MOS管的开通来自于次级侧控制器的指令。初级侧控制器收到次级侧控制指令后MOS管开通。开通后的关断由初级侧控制来执行，当开关管达到一定峰值电流后，初级侧MOSFET关断。
为了提升效率，在次级侧有同步整流驱动，它来自于次级侧控制器。如果用分立元件做，在次级侧往往有另一个独立的同步整流控制器。这种独立的控制器可能会在一些故障情况下出现不应有的驱动脉冲，使开关管误开通。PI用同一个控制器来控制初级侧功率管，也控制次级侧同步整流管，就可以将这两个管做到非此即彼，不会出现共同导通现象。这是与分立元件相比的优势所在，而共同导通是反激电源中不能接受的。
几乎成为标配的FluxLink™
同步整流可以提高效率，由于是次级侧电压检测，所以输出非常精确。当然，初级和次级之间不需要加光耦器，而是用PI之前许多产品中都有的FluxLink™磁感耦合方式进行通信。
阎金光这样解释，在汽车应用中，很多汽车制造厂商不喜欢用光耦器，这是因为光耦器会随着温度和使用寿命延长发生传输特性的变化。其安全可靠性难以满足汽车这类有很高安全性要求的应用。所以，很多方案都是用PSR来做，即初级侧恒压。实际上PSR的输出稳压精度没有那么高，因为它是通过初级侧偏置绕组进行检测，采用SSR时输出电压、电流都是次级侧直接检测，相对初级稳压电路工作方式，可以达到更高的精度。精度的增加极大地节省了整个系统的成本。
传统方式下，如果稳压精度不高，就会加第二级稳压电路，不但会增加元件数目，还会影响整体电源效率。在提高母线电压的应用中，采用FluxLink™可以充分保证绝缘强度，满足AEC-Q100汽车级认证，并在初级侧集成1700V碳化硅MOS管。
在分立元件方案中，有时会加一些启动电阻来控制启动，汽车应急电源一般要求60V以下能够工作，而新器件的性能优势是支持30V启动。得益于InnoSwitch3漏极自供电启动，满载输出功率可以保证在30W到70W。
应急电源输出是为后面的牵引逆变器驱动及其它控制电路供电，包括有源短路电路和一些主动放电电路。因为800V只给牵引逆变器母线（电机）供电，但电机下面的驱动电压，包括汽车中控制电路的一些电压都比较低，要靠12V母线供电；而在12V电池组坏掉时，要由应急电源供电。采用1700V耐压碳化硅后，可以将电源元件数目缩减50%，把PCB板面积做得很小，电路所占空间的减小有利于使用更小的金属外壳，减轻整车的重量，增大续航力。
汽车不像消费类电子，与人的生命息息相关，出现故障或反应迟钝都会造成生命财产危险。汽车可靠性与元器件数目有很大关系，元件数目多，可靠性就会下降，而用更少的元件设计应急电源可以充分提高汽车的安全性和可靠性。
调整率方面，输出电压可以做到正负2%精度，因为次级侧电压检测精度更高，可以节省一些后级DC-DC电路，降低成本和元件数目。FluxLink™的环路响应速度非常快，好处是输出端可以用更小的输出电容。虽然输出电容越大动态响应越好，但增加电容就会使PCB面积增大，成本也会增加。而且，大于90%的效率可以减少发热，效率高就可以不用散热片。加散热片涉及固定、震动，都会对可靠性产生影响，体积也不能做得很小。
所有汽车厂商都有最低效率要求，汽车不是总在最大负载下工作，速度比较慢时负载就比较轻，所以轻载效率对整个汽车的续航力也有影响。根据控制方式，在不同负载情况下，新器件都可以保持电源效率恒定。
另外，汽车长期不开母线电池也会供电，如果电源功耗比较高，电池自放电就很严重，会影响电池续航能力，所以电源空载功耗对电池自放电有影响。新器件的空载功耗可以做到小于15mW。
从系统层面看，稳压精度高就不需要后级的DC-DC稳压电路，三相牵引逆变器有6个开关管，下管驱动的DC-DC电路可以省掉。在反激电源中还可以做多路输出，满足各个子系统的不同输出电压需求。
相见恨晚
阎金光说，在汽车设计验证期间，要求凡是连接至高压母线的元器件都要进行长时间的安全测试，包括开路、短路，因为母线电压很高，如果连接母线电压的元器件有问题造成电池短路，那将是灾难性的后果。应急电源中采用了1700V碳化硅开关管后，方案元件数目大幅度缩减，就没有很多元器件连接到母线电压，这样就大大缩短了汽车认证期间的验证时间，同时保护特性也都集成在IC内部，很受客户欢迎。
某些电动车设计厂商客户刚开始拿到Demo板时，都不太相信有这样的方案；做了测试后觉得确实不错，都有相见恨晚的感觉。因为在市场上很少有既有很高耐压的MOS管，又做到次级侧SSR稳压调整的产品。现在，用两个额定耐压1700V的新型号器件就可以输出50W和70W不同应急电源功率。以前的器件有700V、750V和900V，现在可以涵盖所有电动汽车系统电压，无论是400V、800V或将来的1200V、1500V母线电压。
除了满足汽车认证的产品型号以外，PI也在一些非汽车认证产品内部集成了1700V碳化硅MOS管，主要用在交流输入电压比较高（600Vac到1000Vac）的工业应用，如机器人、电焊机、三相电表和工业电机。
1700V InnoSwitch3-AQ有两款参考设计，DER-913Q-INN3947CQ和RDK-919Q-INN3949CQ，前者输出功率是35W，后者是60W，分别采用平面变压器和普通变压器的设计。两款设计的效率均做到90%以上。元件数目仅有40几个，相对于传统方案100多个元件的设计大大缩减。
趋势最重要
以前在谈到汽车母线电压时经常提到的是400V或800V，这个主要是对常见的乘用车而言。其实对于大马力的巴士车和卡车来讲，旧有设计经常使用的母线电压为600V。这些车型往往连续使用时间比较长，载重量大且要求更短的充电时间。对于这类高母线电压的应用，新器件都可以覆盖。
未来的趋势是，无论乘用车、巴士还是卡车，都会往更高母线电压的方向发展。当然，母线电压可以来自于纯电池，也可以是燃料电池，以前是高端乘用车才用高母线电压，现在所有车辆都会把母线电压提高。PI此时涉足这一市场可谓正是时候。
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