繼電器
固態驅動器取代繼電器 車用直流馬達高效節能
本文將分析車用直流馬達的市場趨勢,並說明何以從診斷功能、交換時間的優化、減輕重量和提升可靠度各方面來看,固態驅動器(SSD)都是比較好的設計架構。
預估車用直流馬達系統的需求將穩定成長,未來5年的年成長率約在3.1%左右。車身周邊的需求主要來於自車門鎖、電動後照鏡、座椅調整、清潔劑幫浦、雨刷、車窗開關、天窗和電動滑門等傳統應用(圖1)。但還有許多新崛起且十分吸引消費者的應用逐漸面市,部分實例包括抬頭顯示器(HUD)、隱藏式車門把手、電動尾門、電動車換檔切換器和電動車充電器鎖。考量以上狀況,估計2020年全球各地與車身相關的車用直流馬達需求將達到20億個(圖2)。
圖1 預估車用直流馬達系統的需求將穩定成長,未來5年的年成長率約在3.1%左右。
圖2 車身周邊的需求主要來於自車門鎖、電動後照鏡、座椅調整、清潔劑幫浦、雨刷、車窗開關、天窗和電動滑門等傳統應用。
過去汽車產業一直將繼電器視為一種簡單又便宜的解決方案,用來驅動直流馬達。但這種想法正逐漸改變,現在汽車製造商認為SSD才是更適合新應用設計的選擇。SSD因為具有高度可靠的品質且診斷功能更為強化,很容易就能建置各種創新功能,像是驅動各種可變負載設定檔(例如電動尾門)或控制動作的順暢度(例如車窗開關或座位調整)、消除繼電器開關噪音以及增加豪華感。
最重要的是,全世界的地方立法機構已開始針對汽車的汙染物質和二氧化碳排放設定新的限制,汽車結構必須有所調整,尤其是動力負載的供應,皆必須採用效率更高的電子元件。雖然新標準的衝擊對象將以動力總成(Power-train)系統為主,車身控制模組(Body Control Module, BCM)還是有一部分關聯性。預測2020~2025年間由SSD驅動的直流馬達每年平均成長6.7%,逐漸搶攻繼電器的市占率(圖3)。
圖3 由SSD驅動的直流馬達持續成長,逐漸攻占繼電器市場。
在此情況下,意法半導體便推出SSD相關產品,如M0-7 H-橋系列。M0-7 H-橋系列將邏輯功能和動力結構整合至單一封裝,讓晶片內建智慧功能因此除了從提供簡單驅動作用到還能防止故障,提供先進的診斷和保護功能、減少所需零件數量、提升可靠度並節省印刷電路板(PCB)面積(圖4)。
圖4 汽車應用的馬達控制元件。
使用固態切換器提升可靠度延長10倍使用壽命
繼電器觸點是一種可導電的金屬片,相互連接好讓電流通過。機械式開關觸點常見的問題包括會聽見噪音,還有終端顧客因為感受到機械震動而觀感不佳(尤其是轉換頻率驅動應用)。
除此之外,繼電器切換時會造成電弧噪音,進而產生電磁干擾(EMI)。為了降低繼電器切換噪音,就需要電阻電容減震器(RC Snubber)和續流二極體(Flywheel Diode)等額外零件,但這些額外零件會對最後結構的複雜性帶來負面影響。切換時產生的機電應力,中長期的影響就是會降低接觸電阻和效能,讓繼電器無法使用或縮短壽命。繼電器效能的劣化則會降低可靠度。
固態切換器沒有活動零件,因為機械式觸點已被電晶體所取代,因此不會有電弧接觸、磁場或可聞噪音等問題。輸入控制相容於大部份的IC邏輯系列產品,毋須額外增加緩衝器、驅動器或放大器,可大幅降低印刷電路板的複雜性和面積。結果就是可靠度提升,交換時間最多可增加10倍(圖5)。
圖5 以電晶體取代機械式觸點,可以解決電弧接觸、磁場或是噪音問題。
小型電源封裝有助於節省應用面積
汽車市場朝自動駕駛的方向演進,必須使用越來越多的感測器以及致動器。只要考量相同間隔裡必須裝進更多元件,就很容易可以了解為何所占空間所帶來的限制越來越嚴苛。
通常會使用H橋配置這種拓撲來驅動雙向直流馬達:交替開啟橋式開關,就可能控制馬達方向或煞住馬達。雖然使用繼電器就能輕鬆建置H橋架構,但採用SSD能大幅減少電路板空間。
由於一般繼電器的印記面積約為250 mm2,至少需要500mm2的電路板面積才能建置H橋架構。此外,為建置高電壓瞬態抑制、系統診斷和保護等功能也必須額外附加離散電路,例如緩衝器、運算放大器與感測器。這些額外零件將大幅增加電路板最終尺寸與複雜度,而且會對應用的可靠度帶來負面影響。最後,電路板蓋板與外殼的設計還必須考量繼電器的高度,因此一般來說得保持17mm的垂直距離。
透過VIPower M0-7技術H-橋系列產品能將整個馬達驅動架構建置到先進的小型電源封裝裡,分別可以減少60mm2和106mm2的印記面積,厚度低於2.5mm,讓印刷電路板更小,系統也能降低重量(圖6)。除此之外,VIPower M0-7H橋提供無鉛封裝的環保產品組合,確保更佳的散熱效能。
圖6 小型電源封裝更節省空間。
切換時間/脈寬調變 驅動直流馬達提升效能
導引H橋架構時,必須特別留意避免電池線和接地之間出現不必要的短路,尤其是在切換階段;這種狀況通常定義為動態擊穿(Shoot Through)。每當擊穿事件發生,就會額外產生電池線的噪音和電力消耗,進而降低系統效率。如果H橋是由脈寬調變訊號之類的快速切換控制所驅動,這個現象就會變得更加嚴重。
脈寬調變輸入訊號常被用來控制H橋架構,只要改變工作周期,就能調節馬達速度和力矩以建置下列先進功能(圖7):
圖7 一般直流馬達設定檔在起步期時,其湧入的電流是正常電流10~12倍。
.防夾功能
.順暢的起步和停止動作,提升駕乘體驗
.失速狀況控制
.不受電池電壓影響進行馬達調速
.減少起步時的湧入電流
一般直流馬達設定檔會有一個起步期,湧入電流是正常電流的10~12倍。所有電子零件都必須符合規格,才能承受這樣的高電流一段時間,而這也會持續影響最終應用的電線尺寸、印刷電路板面積和驅動器功能。
確實繼電器規格書只提供電阻性直流負載最大限度的觸點額定值,但此額定值會被高度電感或電容負載大幅降低(圖8)。
圖8 以脈寬調變訊號驅動直流馬達,可幫助馬達順利起步。
以脈寬調變訊號驅動直流馬達,就可能在有限的力矩下達到順暢的馬達起步。湧入電流也會減少,延長馬達啟動期。以脈寬調變訊號驅動直流馬達,就能優化電力的消耗,進而縮小電線尺寸,整體來說有利於減輕重量。
繼電器並不適合用在需要快速輸出切換的系統,切換時間會受機械尖端移動所限制,通常在5毫秒(ms)到最高15毫秒之間。除此之外,微控制器(MCU)必須建置適當的邏輯保護,以防止不必要的交互傳導事件。
因此,如VIPower這類的產品,須產品保證提供快速切換時間(通常為1微秒),確保切換頻率最高可達20KHz。切換設定檔經過特別設計,可優化電磁干擾和切換耗損。除此之外,這款晶片還嵌入特殊保護功能,可避免動態和靜態交互傳導問題。
結合VIPwer M0-7提升系統可靠度
SSD可視為驅動車用直流馬達的自然選項,能滿足市場對提升可靠度、系統效率等優點的需求。
已經有SSD產品將邏輯功能和動力結構整合到單一封裝,提供全面整合和受保護電路的完整產品組合(圖9)。因為可以提供不同的開啟狀態(On-state)電阻(從8mΩ到最高100mΩ)而且電源封裝體積小,該系列產品可確保彈性駕駛及控制功能,涵蓋各式各樣的負載狀態(從極低到最高200W)。
圖9 M0-7 H橋系列能將邏輯功能和動力結構整合到單一封裝。
雖然中低功率元件整合了所有的邏輯功能和完整的功率級,包括高側(High Side)和低側(Low Side)功率金屬氧化物半導體(MOS);而ST的VNHD7008AY和VNHD7012AY等高功率元件則採用不同架構,包含高側功率MOS和低側閘驅動器。因此,要完成H橋架構就必須有外部的低側功率MOS(建議採用意法半導體STL76DN4LF7AG)。
20-kHz的脈寬調變速度控制加上診斷機制,讓上述產品適合用於高階汽車應用。待命模式下耗電極低,最多3微安(μA),且轉換期間的切換設定檔也經過優化,儘管會增加電路板上電子零件數量,但可讓模組耗電維持低水平。
此外,也有SSD整合了先進的診斷(VCC電壓、外殼溫度和電流負載的偵測)與保護功能(過電壓、短路、高溫和交互傳導防護),可同時保護功率級和負載而不影響最終的效率系統,確保裝置永遠都能在安全操作區域內運轉。此外拜關閉狀態診斷功能之賜,待命狀態期間可監測馬達狀態,避免開啟時可能產生的損害。
總而言之,在車身控制模組裡結合SSD,就能節省電力消耗、印刷電路板面積和布線需求。實際成果將是系統可靠度增加,且預估每部車最多可減輕50公斤的重量,而這對汙染來說都將呈正面影響,包括內燃機(ICE)車輛的二氧化碳排放減少(估計最高3.5g/km)、電池優化,純電動車(BEV)的自動駕駛程度也能獲得提升。
(本作者任職於意法半導體)
Littelfuse繼電器新品為高性能開關應用提供輸入與輸出隔離
現隸屬於Littelfuse的IXYS積體電路部近日推出CPC1984Y,這款600V常開功率SIP繼電器的額定持續負載電流高達1A DC/1Arms,是該公司最暢銷功率繼電器負載電流的兩倍。這款高度可靠的器件採用光耦合MOSFET技術提供4000Vrms輸入與輸出隔離。實際上,CPC1984Y SIP繼電器可在4000Vrms隔離電壓條件下提供最佳的負載電壓和負載電流組合。光耦合輸出採用IXYS ICD獲得專利的OptoMOS結構,並由高效紅外LED控制。
CPC1984Y的典型導通電阻額定值僅為0.51歐姆,最大額定值僅為0.66歐姆,相比同類產品可提供顯著更低的導通電阻。其600V的阻斷電壓可為通用電源的110Vrms/220Vrms電源線應用提供充足的設計餘量。
IXYS積體電路部總經理兼副總裁Mark Heisig表示,通過結合600V的額定阻斷電壓與1A的負載電流處理能力,CPC1984Y SIP繼電器非常適合各種高性能開關應用。這包括工業和電機控制、公用事業電錶、儀表、醫療設備和家用電器。
CPC1984Y SIP繼電器具有以下關鍵優勢:較低的驅動電源要求,可減少CPC1984Y的功率消耗;開關時不需要使用緩衝電路來抑制電弧;UL 94 V-0的易燃額定值可確保該器件的塑膠包裝具有高阻燃性。
Littelfuse繼電器提供高達4000V輸入/輸出隔離
Littelfuse宣布推出CPC1984Y,這款600V常開功率SIP繼電器的額定持續負載電流高達1A DC/1Arms,是該公司最暢銷功率繼電器負載電流的兩倍。 這款高度可靠的器件採用光耦合MOSFET技術提供4000Vrms輸入與輸出隔離。 實際上,CPC1984Y SIP繼電器可在4000Vrms隔離電壓條件下提供最佳的負載電壓和負載電流組合。 光耦合輸出採用IXYS ICD獲得專利的OptoMOS結構,並由高效紅外LED控制。
LittelfuseI XYS積體電路部總經理兼副總裁Mark Heisig表示,透過結合600V的額定阻斷電壓與1A的負載電流處理能力,CPC1984Y SIP繼電器非常適合各種高性能開關應用,包括工業和電機控制、公用事業電錶、儀錶、醫療設備和家用電器。”.
CPC1984Y的典型導通電阻額定值僅為0.51歐姆,最大額定值僅為0.66歐姆,相比同類產品可提供顯著更低的導通電阻。 其600V的阻斷電壓可為通用電源的110Vrms/220Vrms電源線應用提供充足的設計餘量。該繼電器關鍵優勢包含:較低的驅動電源要求,可減少CPC1984Y的功率消耗;開關時不需要使用緩衝電路來抑制電弧;以及UL 94 V-0的易燃額定值可確保該器件的塑膠包裝具有高阻燃性。