Электродвигатели / 2009_12_63

датчики		компоненты		63

Окончание.Началов№6’2009	Топливная экономия,
	эффективность,экологичность —
	атрибуты новых автомобилей,
	двигателей и систем

Светлана Сысоева

[e-mail]

В заключительной части публикации подводятся итоги обзора автомобильных технологий и решений ведущих производителей, направленных на осуществление тех стратегий мирового автомобильного бизнеса, которые обозначены в заглавии статьи. Комплексный мехатронный подход к созданию новых электронно-управляемых автомобильных систем повышает роль электроники, компонентов и датчиков. Также на мировом автомобильном рынке наблюдаются структурные и качественные изменения, связанные с растущей актуальностью гибридов и электромобилей, что находит отражение и в рыночном сегменте автомобильной электроники.

Актуальные автомобильные технологии, электроника и электронные компоненты

Технологии повышения экономии топлива и эффективности автомобилей с бензиновыми и дизельными ДВС во многом основываются на усовершенствованиях двигателей, трансмиссии, аэродинамики, электрификации систем управления основных и вспомогательных узлов. При осуществлении этих методов роль электроники, полупроводниковых компонентов и датчиков является значительной [1–3].

Автомобильная электроника, предназначенная повысить топливную эффективность автомобиля, включает полупроводниковые и другие датчики, схемы управления с актюаторами, силовые полупроводники и микроконтроллеры.

Во многом методы экономии топлива основываются на применении общих рекомендаций по повышению эффективности вождения.

Рекомендациипоэффективному вождениюирольэлектронныхсистем вминимизациирасходатопливаДВС

1.Поддержаниескоростногорежима,оптимального с точки зрения расхода топлива и безопасности движения, выработка навыков экономичного/эффективного вождения. Известно, что расход топлива на километраж пробега меньше при постоянной скорости, но чем выше скорость и обороты, тем выше расход топлива. Оптимальная скорость для каждого автомобиля своя, детали экономичного вож-

дения различны для бензиновых и дизельных двигателей, но в общем наиболее экономичным считается вождение на средней скорости. Еще в начале движения рекомендуются: переход на более высокую передачу, разгон до определенной скорости, езда накатом на постоянной скорости до пункта назначения. Предпочтительна езда на более высокой передаче без чрезмерного занижения оборотов, а также без остановок, вынуждающих двигатель работать вхолостую. При разгоне в начале езды расход топлива будет выше, но средний расход топлива за поездку при такой технике ниже, чем при полностью равномерном движении на всем отрезке пути. Экономичность вождения индицирует бортовой компьютер на основе показаний датчика скорости автомобиля или различные индикаторы экологичности. Топлива требуется больше и в условиях резких разгонов и торможений, которые неизбежны из-за соображений безопасности, на участках с потоковым движением, в пробках, а также из-за остановок перед светофорами и скоростных ограничений. Поэтому полезно раннее обнаружение препятствий и переход на движение накатом, включение радарного АКК, еще более раннее планирование маршрута с навигационной системой, использование телематического сервиса. Все датчики систем безопасности в той или иной степени задействуются с целью поддержания оптимального скоростного режима. В выработке топлив- но-экономичного и эффективного стиля вождения огромную роль играют датчики педалей газа, тормоза, положения сцепле-

ния, дроссельной заслонки, угла поворота

икрутящего момента руля, PRNDL переключателя передач, то есть все датчики, осуществляющие интерфейс (взаимодействие) водителя и автомобиля. Например, следует избегать резких нажатий на педаль акселератора, особенно при переключениях передач, так как в зависимости от системы топливоподачи автомобиля расход топлива может значительно увеличиться. Новые мехатронные системы имеют все меньше механических связей и используют все больше электронных сетевых коммуникаций, что позволяет водителям с разными стилями вождения оптимизировать расход топлива, эмиссию и безопасность. Для достижения поставленных целей используются модифицированные электронные схемы и компоненты.

2.Электрооборудование автомобиля, которое потребляет значительную мощ-

ность — фары, кондиционер, обогреватели стекол,аудиосистема,дисплеи(светодиодное освещение) — целесообразно использовать только в случае необходимости, которую не следует создавать искусственно (даже натяжители пристяжных ремней могут, например, не потребоваться, если применять меры безопасности в процессе езды). Если вдобавок узел не электрифицирован

ине выполняетполезныхфункций,то рекомендуетсяиспользоватьегокак можнореже, хотяэлектропитаниеновыхсистемявляется хорошейальтернативоймеханическимприводам,отбирающих мощность двигателя, и, напротив,прямоили косвеннопомогаетэкономитьтопливо,повышатьэффективность, безопасность, снижать эмиссию, улучшать

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009

www.kit e.ru

64		компоненты		датчики

характеристики и комфорт. Очень важную	кислорода. Важную роль в поддержании	по многим причинам: это работа двигателя
рольв экономиимощностиДВС,например,	эмиссии дизельных автомобилей на необ-	в условиях холодного старта, дорожные ус-
играет электрическое рулевое управление	ходимом уровне играют датчики NOx.	ловия, плохая видимость, необходимость
EPS. Результатом массовой электрифика-	За обеспечение ходовых характеристик	в отопительных приборах.
ции является то, что современный авто-	(динамика, управляемость) ответственны	Но и в жарурасходтопливаповышается —
мобиль включает 40–50 малых двигателей,	системы динамической стабилизации ESC,	горячего воздуха, поступающего в двигатель,
автомобиль премиум-класса — порядка 70.	электрического рулевого управления EPS,	требуется больше, а также необходим кон-
В батарейнойконцепциивсеузлыавтомоби-	АБС/ПБС, контроля подвески, а также дат-	диционер. Ясно, что ИК-датчики и системы
ля должны быть электрифицированы. Еще	чики частоты вращения и положения.	безопасности, всепогодные радары, датчики
одно средство повышения эффективнос-	Все эти системы должны надежно и точно	температуры и частоты вращения колес тоже
ти — применение регенеративного тормо-	функционировать.	помогают экономить топливо и повышают
жения. Приобретают актуальность датчики,	4. Особое внимание следует обращать	эффективность автомобиля.
ответственные за распределение энергии	на состояние шин. Для езды, оптималь-	Приведенные выше рекомендации — са-
в системе. Это датчики температуры (NTC-	ной с точки зрения расхода топлива и бе-	мые общие, применимые для любых типов
термисторы), напряжения, мощности/тока,	зопасности, рекомендуется удерживать	автомобилей, включающих ДВС. Новые сис-
положения/частоты вращения двигателей,	высокое давление, на верхних пределах	темы все более снижают нагрузку на водите-
все датчики состояния узлов, сред, условий,	(впрочем для грунтовых дорог слишком	ля, оптимизируя экономичность/эффектив-
указывающие на необходимость подключе-	высокое давление также не рекомендуется).	ность вождения. Над усовершенствованием
ния электрифицированных узлов.	В поддержании давления шин на необходи-	систем с ДВС сейчас работают ведущие авто-
3. Обеспечение общего технического со-	момуровнеогромнуюрольиграютсистемы	производители, но многие из них одновре-
стояния автомобиля и электрооборудо-	мониторинга давления шин TPMS с датчи-	менно заняты проектами по осуществлению
вания в адекватном состоянии. Все узлы	ками давления, ускорения, состояния бата-	стратегий гибридизации своих автомобилей.
и агрегаты автомобиля, ответственные	реи, напряжения, температуры батарейного	Ярким примером этого служит модульный
за передвижение автомобиля, должны	узла. Рекомендуются шины со сниженным	подход компании Daimler. Концепция «зеле-
быть исправны, настроены и отрегули-	сопротивлением качения и другими специ-	ной кнопки» (Green Button) TRW, например,
рованы — независимо от оснащенности	альными характеристиками.	означает автоматический переход автомоби-
электронными системами, которые участ-	5. Улучшение динамики автомобиля.	ля в режим максимальной экономии топли-
вуют в функционировании узлов и агрега-	Рекомендуются к эксплуатации автомо-	ва. Аналогичную функциональность обеспе-
тов автомобиля. Роль электронных систем	били с высокими аэродинамическими по-	чивают и другие поставщики электронных
в новых автомобилях, применяющих тех-	казателями, заявленными производителя-	систем.
нологии повышения экономичности/эф-	ми. Аэродинамику на высоких скоростях
фективности систем powertrain и эмиссии,	дополнительно улучшают закрытые окна,	Электроникадлягибридов
повышается. В группу электронных систем	люки, отсутствие багажа. В обеспечении	Авторитетная французская консалтин-
входят, прежде всего, системы контроля	динамических характеристик езды участ-	говая организация Yole Development (www.
топливоподачи, смесеобразования и сго-	вуют следующие электронные системы:	yole.fr, www.i-micronews.com) прогнозиру-
рания. Задействованные в этом компонен-	динамической стабилизации ESC, элек-	ет, что в 2015 году в мире будет произведено
ты включают датчики давления MAP/BAP,	трического рулевого управления EPS,	более 17 млн гибридных и электрических ав-
положения дроссельной заслонки, массо-	АБС/ПБС. Концептуально основные	томобилей [4]. Согласно более общим про-
вого расхода воздуха, датчики давления	компоненты EPS включают электричес-	гнозам 50 млн автомобилей будет продано
в камерах сгорания, высокого давления	кий двигатель, ECU на основе микрокон-	в 2020 году, то есть половина произведенных
дизельных двигателей, частоты вращения	троллера, который обрабатывает сигналы	в это время автомобилей. С 2010 года на ав-
двигателя, коленчатого вала, распредели-	от трех основных датчиков (положения	томобильный рынок входят и EV-автомоби-
тельного вала, датчики, установленные	рулевого колеса, крутящего момента руля,	ли (Mitsubishi, Renault, GM, Ford, Daimler).
в трансмиссии, и ряд других. Ярким при-	положения двигателя), а также датчиков	Эту технологию отличает все еще несколь-
мером актуального компонента является	скорости автомобиля или скорости колес	ко ограниченный диапазон хода (40 миль)
датчик состояния масла двигателя. Новые	АБС и датчиков скорости двигателя/ко-	и высокая цена, но благодаря инвестициям
мехатронные системы имеют меньше	ленчатого вала. ECU EPS также включает	в литий-ионные батареи в данной области
механических связей, и в данную группу	схему-драйвер электрического двигателя,	ожидается прогресс.
включаются новые и более прецизионные	обычно с бесконтактным переключением	Согласно этим общим тенденциям в авто-
устройства. Помимо датчиков, примером	(трехфазный бесколлекторный двигатель)	мобильном бизнесе в ближайшие несколь-
являются 32-битные микроконтроллеры,	и соответствующими датчиками положе-	ко лет наиболее актуален рыночный сектор,
которые заменили 16- и 8-битные уст-	ния/переключения двигателя.	объединяющий автомобильную электро-
ройства, что позволило более точно ре-	6. Обеспечение благоприятных условий	нику, компоненты для гибридов (обычных
гулировать впрыск, снизить потребление	эксплуатации. Расход топлива отличает-	и плагинных) и электромобилей.
топлива и эмиссию. В группу powertrain	ся при движении по городу и по шоссе,	Автоматический старт/стоп, регенератив-
входит также система рекуперации, кото-	по асфальту или по проселочной дороге.	ное торможение или чисто электрический
рая захватывает и запасает в батарее часть	Очень важно состояние дороги: ухабы,	режим позволяют в большей степени повы-
кинетической энергии в процессе тормо-	гололед, дождь, снег, метель увеличива-	сить экономичность и эффективность авто-
жения, а также силовая электроника, при-	ют расход топлива. Названные погодные	мобиля, и водитель при этом не отвлекается,
обретающая наибольшую актуальность	условия также осложняют езду из-за ус-	долго раздумывая об экономических и эко-
в гибридах. Эффективность автомобилей	ловий плохой видимости, в которых дол-	логических аспектах поездки. Электроника
поддерживается системами EGR с соответ-	жен использоваться другой скоростной	выполняет калькуляцию, информирует
ствующими датчиками давления и положе-	режим. Отрицательно на расход топлива	и инструктирует водителя о необходимости
ния, а экологичность (соответствие новым	влияют условия темного времени су-	выполнения топливно-сберегающих дей-
высоким стандартам эмиссии) контроли-	ток — по той же причине. Поздней осе-	ствий или выполняет бóльшую долю этих
руется с помощью датчиков концентрации	нью и зимой расход топлива всегда выше	действий самостоятельно.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009

датчики компоненты		65

Электромобили и плагинные гибриды	достигать экономии топлива до 25% и выше.	Bosch и Rexroth представили свою гидроста-
как переходное звено между гибридами ха-	Если сравнивать в цифрах влияние усовер-	тическую систему рекуперации (Hydro-static
рактеризуются еще меньшим числом меха-	шенствований двигателя, трансэкла и других	Regenerative Braking, HRB) для негибридных
нических систем и узлов (например, отсут-	систем, то наибольший вклад в повышение	коммерческих автомобилей и мобильного
ствует коробка передач), но в этих автомоби-	эффективности гибридных систем привно-	оборудования. Было заявлено, что начальные
лях все более повышается роль электронных	сит именно регенеративное торможение.	измерения показывают снижение потребления
систем, двигателей для обеспечения электро-	Системы торможения различаются в зави-	топливадо 25%.В HRB-системес электронным
питания подвижных механических частей.	симости от производителя и назначения [6].	управлением энергия торможения преобра-
В гибридах используются схемы управле-	Для негибридных автомобилей применяют-	зуется в гидравлическое давление и запасается
ния и компоненты для контроля ДВС, а так-	ся гидравлическое и электрогидравлическое	в гидравлическом резервуаре высокого дав-
же электроника для контроля и управления	торможение (Continental EHB в Ford Escape),	ления. Когда устройство ускоряется, запасен-
гибридной системы.	а также электромеханическое торможение	ная гидравлическая энергия прикладывается
Силовая электроника — ключевая техно-	(Continental EMB), разработано много кон-	к трансмиссии, что позволяет снизить потреб-
логия для гибридов [4–10]. Согласно самым	цепций торможения (например, электронная	ление мощности двигателя и топлива.
общим данным силовая электроника состав-	парковка EPB Continental). Регенеративное	Более высокое потребление электрической
ляет 20% или более (порядка 50%) от общей	торможение для гибридов, EV, FCV (RBS	мощностидля добавленнойфункциональнос-
материальной стоимости гибридного авто-	Continental, TRW ESC-R (Electronic Stability	ти также означает, что должны использовать-
мобиля, что даже выше, чем для EV, причем	Control-Regenerative) и Slip Control Boost	ся устройства с более высоким напряжением.
значительная доля цены силовой электрони-	(SCB)) помогает захватывать энергию тор-	В среднегибридных применениях, где в ос-
ки приходится на батарею.	можения. Многие из таких систем оснащены	новном применяются системы рекуперации,
Главный полупроводниковый силовой	педальным симулятором, дающим водителю	IGBT также рекомендуется как устройство,
компонент HEV/EV — это транзистор с изо-	«чувство педали». Регенеративное торможе-	рассчитанное на напряжения выше 120 В.
лированным затвором (Insulated-Gate Bipolar	ние может повышать эффективность и не-	Полная гибридная система может иметь
Transistor, IGBT), используемый в инверторе.	гибридных автомобилей. TRW SCB (Chevrolet	последовательную, параллельную или power-
Полупроводниковое переключающее уст-	Tahoe, GMC Yukon), например, представляет	split архитектуру и, в зависимости от приме-
ройство IGBT усиливает напряжение от бата-	собой гидравлическую усиленную тормоз-	нения, снижать потребление топлива до 35%.
реи и преобразует усиленную DC-мощность	ную систему. В негибридных автомобилях	Для того чтобы запустить гибридный ав-
в AC-мощность для питания электродвига-	SCB не обеспечивает регенеративную часть	томобиль в полном электрическом режиме,
теля.	торможения, но она представляет собой аль-	используется полная гибридная система,
HEV/EV силовые устройства используются	тернативу для систем прямого бензинового	работающая на основе IGBT с высокими
также в преобразователях постоянного на-	впрыска с турбонаддувом и дизельных дви-	токами и напряжениями. 650 В — это стан-
пряжения DC/DC, AC/DC преобразователях	гателей, которые имеют значительные ме-	дартное напряжение для IGBT-устройств,
энергии (генератор-батарея). Так, силовая	ханические потери вследствие применения	но существует тенденция к повышению ав-
электроника в HEV необходима для преоб-	вакуумных насосов.	томобильных рабочих напряжений в гибри-
разования низкого батарейного напряжения	BMW повысила топливную эффектив-	дах (700/800 В или 1,2 кВ). Это объясняется
к высокому входному напряжению инвер-	ность до 3% стандартного негибридного	тем, что, если преобразователь может уси-
тора, для преобразователя-усилителя (boost-	автомобиля благодаря использованию тех-	ливать напряжение на том же самом уровне
converter) и преобразователя, понижающе-	нологии Brake Energy Regeneration (BER).	тока, то это позволяет получить более высо-
го высоковольтное батарейное напряжение	В системе применяется специально разрабо-	кий выход электродвигателя по мощности
к низковольтному батарейному напряжению	танный альтернатор с интеллектуальной схе-	и крутящий момент, что привносит вклад
(buck converter).	мой управления, служащий как электричес-	в увеличение эффективности/экономичнос-
Контент автомобильной электроники	кая машина для генерации энергии при тор-	ти автомобиля, снижение потерь мощности,
различается в зависимости от типа гибрида	можении. В батарее BER система заряжается	а также размера инверторов.
(микро-гибрид, мягкий, полный двухрежим-	на 80% емкости с использованием мощности	Например, силовая высоковольтная схема
ный гибрид, плагинный гибрид), архитекту-	двигателя, затем, по сигналам датчика, она	быладобавленадля поддержкисистемыTHSII
ры (последовательная, параллельная и power-	заряжается при торможении или при за-	полных гибридных автомобилей Prius Toyota
split), основной и добавленной функцио-	пуске от аккумулятора другого автомоби-	последних лет (рис. 12) [7]. Блок контроля
нальности, требований мощности.	ля (overrun), в течение ускорения функция	мощности (Power Control Unit, PCU) включа-
Микрогибриды в ближайшем будущем	деактивируется, и становится доступным	ет инвертор, выполняющий функции преоб-
ожидает самый высокий рост ввиду их низ-	более высокий выход двигателя с меньши-	разования DC мощности батареи в AC для уп-
кой цены и легкой интеграции технологии.	ми CO2 эмиссией и уровнями потребления	равления двигателя и DC/DC-преобразова-
Параллельные микрогибриды, в которых стар-	топлива. Но в целях безопасности BER мо-	тель для преобразования к напряжению 12 В.
тери альтернаторзамещенысистемойинтегри-	жет заряжать батарею и в процессе ускоре-	Напряжение двигателя и генератора было
рованногостартераи альтернатора,популярны	ния, чтобы предотвратить разряд. Система	повышено от 274 В в THS до максимального
благодаря функции старт/стоп. Напряжение	поддерживает резервный заряд, адекватный	напряжения 500 В в THS II. Мощность гиб-
и уровень мощности в этих системах относи-	требованиям мощности, пока автомобиль	ридной системы была повышена в 1,5 раза —
тельно низкие, и улучшение потребления топ-	работает на холостом ходу, и достаточный	с 33до 50 кВтв автомобилях Prius, которыена-
лива укладывается в 10%-ный диапазон.	для старта двигателя при любых условиях.	чали выпускать с 2003 года.
Для низких напряжений и токов в микро-	Обычные тормоза автомобиля прикладыва-	Согласно данным Yole Development, при-
гибридных применениях MOSFET-техноло-	ют дополнительную мощность. BMW ввела	близительноодинаковыеинверторыдля пол-
гия дает даже лучшую плотность мощности,	эту систему в сериях 1, 3, 5–7 и Mini Cooper.	ных, плагинных гибридов и электромобилей
чем IGBT.	Для получения большего заряда, чем обыч-	со средней мощностью 50 кВт формируют
В дополнение к функции старт/стоп сред-	ная свинцово-кислотная батарея, применена	в 2009 году 74% рынка силовых модулей HEV
няя гибридная система может помогать	батарейная технология Absorbent Glass Mat	и EV.
мощности двигателя и захватывать энергию	(AGM). Вместе с системой старт/стоп и BER	В RX400h напряжение шины PCU было
торможения. Рекуперация энергии позволяет	достигается 8%-ная экономия топлива.	повышено далее — до 650 В.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009

www.kit e.ru

66	компоненты	датчики
	Поскольку в устройствах преобразования
энергии часто переключаются высокие на-		а
пряжения и большой ток, должны приме-
няться силовые устройства с минимальными
потерями энергии. Контроль тока и темпера-
туры также должны быть схемно интегриро-
ваны с IGBT.
	Полупроводниковая технология позволя-
ет получать более высоковольтные системы,
отвечающие перечисленным требованиям.
Примером является структура IGBT Toyota,
которая с использованием метода дисперсии
электрического поля (Electric Field Dispersion,
EFD) (рис. 12г) дала возможность снизить по-
тери, повысить пробивное напряжение с 970 В
в Prius 2003 года до 1200 В в RX400h SUVLexus,
что позволило дать больший крутящий мо-
мент и выходную мощность. Также это поз-
волило уменьшить размер кристалла и сни-
зить толщину пластины. Одновременно были
снижены потери при включении on-state.
	Поскольку переключающий ток высокий,
важной задачей является минимизация теп-
ла. Toyota в THS II применила транзистор,
который на 20% меньше, чем устройство
в THS, и достигает низкой генерации тепла
и высокой эффективности.
	Согласно данным Yole Development, IGBT
как устройство, рекомендуемое для высо-
комощных применений, составляет 80%
от общего рынка силовых модулей HEV/EV.
В 2009 году рынок силовых модулей удер-
живается на уровне $300 млн, ожидается его		б
30%-ный рост — до 2020 года, в котором будет
достигнут уровень в $5 млрд. Сегодня рынок
силовых модулей отличается ярко выражен-		Рис. 12. Технологии Toyota для высоковольтных систем:
ным доминированием компании Toyota, рас-
		а) Toyota Hybrid System-II (THS-II); б) высоковольтные электрические системы THS-II Prius и RX400h
полагающей собственным производством мо-
дулей. Но и другие автопроизводители, и авто-
мобильные поставщики tier one инвестируют		тов: это высокая температура, ее изменения	для автомобильного рынка, необходимы по-
системы HEV/EV powertrain: Bosch, Continental,		вследствие работы устройств и температуры	вышение способности устройств к циклиро-
Valeo, Delphi, Denso, Hitachi. Компании, вы-		окружающей среды, вибрация. Ожидаемый	ванию мощности и температуры, улучшения
пускающие полупроводники (Infineon, Fuji,		срок службы силовых модулей для гибридных	в технологиях корпусирования, охлаждения,
Mitsubishi, STMicro и другие), также стремятся		применений составляет 15 лет/150 000 миль.	предотвращения сбоев вследствие многих
занять рынок силовых модулей.		Для соответствия автомобильным требо-	циклов термоциклирования. В данном на-
	Автомобильная среда характеризуется	ваниям необходима дополнительная квали-	правлении проделала значительные шаги
жесткими условиями эксплуатации, требую-		фикация, тестовое оборудование, испытания.	компания Infineon: помимо усовершенство-
щими повышенной надежности компонен-		Чтобыквалифицироватьсиловыеустройства	ваний технологии, повышения напряжений
	в		г
	Рис. 12. Технологии Toyota для высоковольтных систем: в) улучшение пробивного напряжения IGBT; г) введение слоя Electric Field Dispersion (EFD)
			КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009

		датчики	компоненты	67
	и рабочих температур, усовершенствована	MOSFET, и ее можно выполнить меньшей	лирует требование снижения размера на еди-
	технология корпусирования силовых моду-	по объему; сопротивление в течение работы	ницу тока. Устройства FieldStop значительно
	лей [8].	ON-resistance низкое. FieldStop-устройства	меньше по размеру в сравнении с NPT.
		на основе trench-технологии работают непре-	Ряд изменений, которые выполняются
	СиловыемодулиInfineonдлягибридов	рывно при так называемой переходной тем-	с целью противостояния высоким темпера-
	Технологии Infineon trench FieldStop IGBT	пературе 150 °C (junction temperature — самая	турам, включает усовершенствования в про-
	и диодов EmCon дают увеличение плотности	высокая рабочая температура активного эле-	водных материалах и материалах для про-
	тока в чипе. Одновременно потери мощнос-	мента в полупроводниковой схеме), достигая	цесса пайки и прикрепления кристалла.
	ти во включенном состоянии (on-state loss)	максимума в 175 °C, что повышает плотность	Дизайнкорпусированияи технологиимеж-
	и потери при переключении (switching loss)	тока чипа и делает возможным использование	соединений имеют сильное влияние на па-
	также снижены по сравнению с классически-	более высоких температур охладителя.	разитную индуктивность модуля, и для по-
	ми NPT IGBT, для которых принят компро-	Кремний допускает такие рабочие тем-	вышения плотности мощности становится
	мисс: если потери on-state снижаются, потери	пературы. Некоторые силовые устройства	важным выбор материала. Все эти аспекты
	переключения увеличиваются.	могут работать и на более высоких темпе-	нашли отражение при разработке продукто-
	Меньшие потери достигаются за счет вве-	ратурах (порядка 200 °C), но более высокие	вой линейки силовых полупроводниковых
	дения FieldStop-слоя, снижающего толщи-	температуры дают более высокую темпера-	модулей Infineon, которая включает:
	ну устройства и падение напряжения в нем	турную разницу на проводном интерфейсе,	• модуль для средних гибридов
	(рис. 13а, [8]). Известны две различные IGBT-	что снижает надежность при циклировании	HybridPack1;
	технологии — планарных и trench-устройств.	мощности модуля. Поэтому и технология,	• модуль HybridPack2 для полных гибридов;
	В trench-структуре каналы (trenches) форми-	и корпусирование устройства должны быть	• семейство ИС драйверов EiceDRIVER2;
	руются на поверхности кристалла, а затво-	оптимизированы для обеспечения характе-	• оценочный комплект Hybrid-Kit.
	ры MOSFET и IGBT — на боковых стенках	ристик, надежности, цены.	Во всех модулях использована технология
	каналов; структура не имеет паразитного	Гибридные применения требуют высокой	trench FieldStop, но технологии корпусиро-
	JFET-сопротивления1, присущего планарным	плотности мощности в модулях, что форму-	вания различны. Конфигурация модулей
			HybridPack1 и HybridPack2 Six-Pack (6 паке-
	1 JFET-транзистор (Junction Field Effect Transistor) с управляющим pnp (npn) переходом.		тов) (рис. 13б) на основе технологии trench
			FieldStop IGBT третьего поколения характе-
	2 Infineon EiceDRIVER представляет собой ИС драйвера IGBT, квалифицируемую согласно AEC Q101 и обеспечивающую
	двунаправленную передачу сигналов с малыми временными задержками, а также со способностью противостоять высоким		ризуется сниженным значением проводи-
	окружающим температурам. Устройство с интегрированной ступенью на 2 А управляет IGBT на 100 А/1200 В, его отличают
			мости и потерь при переключении.
	надежность и приемлемая цена для гибридов. Гальваническая изоляция выполнена согласно IEC60747-5-2.
	а
			б
		в
	Рис. 13. Технологии Infineon для автомобильных силовых применений:
	а) технология trench FieldStop IGBT [8]; б) силовые инверторные модули HybridPack2 на 80 кВт (иллюстрация усовершенствования технологий корпусирования);
	в) спектр решений Infineon для гибридов: силовые модули, микроконтроллеры, автомобильные дискретные компоненты, датчики магнитного поля

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009

www.kit e.ru

68		компоненты		датчики

Модуль Infineon HybridPack разработан	тепла,сгенерированногов подложке,что поз-	изводителей силовой электроники и второе
с расчетом на работу в диапазоне мощности	воляет избежать прикрепления большого	место среди производителей автомобильной
до 20 кВт, с рабочими токами/напряжения-	числа алюминиевых проводов к основной	электроники.
ми 400 А (по два 200-А IGBT и 200-А диода	плате. Более плотное корпусирование значи-	Infineon придерживается принципа интег-
на переключатель), 600 В, при температуре	тельно снижает паразитную индуктивность.	рированного подхода к организации парал-
до 150 °C.	Для полногибридных применений низкая	лельного и сетевого взаимодействия OEM,
HybridPack1 разработан для инверторов	паразитная индуктивность важна, посколь-	поставщиков первого порядка (tier one)
с системами воздушного или низкотемпера-	ку системное напряжение больше чем 400 В,	и фабрик, выпускающих полупроводники,
турного жидкостного охлаждения. Плоская	и высокий ток будет соответствовать и боль-	и стремится укрепить свои позиции в заня-
медная плата-основание скомбинирована	шей скорости его изменения. Таким образом,	той нише.
с керамической подложкой. В компактном	ультразвуковой метод улучшает возможнос-	Высоковольтные полупроводниковые
инверторе драйверная плата может легко па-	ти производства.	дискретные компоненты и высокомощные
яться наверху модуля. Соединения — резьбо-	Тепловое сопротивление модуля прин-	модули для инверторов и преобразователей
вые. В качестве технологии корпусирования	ципиально зависит от области кристалла,	гибридных (а также электрических и авто-
Infineon применяет улучшенный процесс	отведенной на переключатель, стека мате-	мобилей на топливных ячейках FC) Infineon
проводного соединения, обеспечивающий	риала модуля и схемы основания-субстра-	разработаны на основе IGBT, диодов и тех-
надежность при термоциклировании и цик-	та. Характеристики стека материала влияют	нологии полевых транзисторов COOLMOS.
лировании мощности.	на тепловое сопротивление модуля, а схе-	Для них предлагаются также ИС драйвера,
В качестве метода корпусирования про-	ма привносит поперечную проводимость.	которые в силовом применении помогают
мышленных модулей Infineon применяет	Тепловое сопротивление модуля HybridPack2	увеличить плотность мощности и эффек-
пайку. Плотность мощности HybridPack1	значительно снижено посредством удаления	тивность. Кроме микросхем драйверов,
была увеличена на 25% в сравнении с про-	слоя смазки и прямой пайки подложек-суб-	портфолио силовых продуктов включает
мышленным модулем — посредством моди-	стратов к плате-основанию PinFin.	MOSFET, HITFET, ключи, регуляторы напря-
фикации схемы и использования проводных	Различное тепловое расширение гранича-	жения, Boost и Buck DC/DC-преобразовате-
соединений терминалов.	щих материалов модуля вызывает стресс (ме-	ли — компоненты, специально разработан-
Хотя паразитная индуктивность увели-	ханическое напряжение) интерфейса и в ко-	ные для гибридных автомобилей.
чилась на 50%, это не является важным ас-	нечном итоге сбой. Наиболее подвержены	Цифровые и аналоговые датчики магнит-
пектом конструирования для 600-вольтных	стрессам места пайки субстрата и соединений	ного поля оптимизированы для измерения
устройств, поскольку в среднегибридных	медных плат-оснований.	тока, положения, расстояния, направления
применениях напряжение ниже 200 В.	Для повышения надежности производи-	или скорости. Датчики Холла отличаются
Силовой модуль Infineon HybridPack2	тели модулей применяют модули с алюми-	высокой функциональностью, а ГМР дат-
для полногибридных применений характе-	ниево-нитридным субстратом и алюминие-	чики скорости и угла дают больший рабо-
ризуется мощностью 80 кВт, током в 800 А	вые кремний-карбидные платы-основания,	чий воздушный зазор, меньший джиттер,
(по четыре 200-амперных IGBT и диода) и ра-	что значительно увеличивает цену. Но дорогие	что в целом допускает более точные и надеж-
бочим напряжением в 650 В, рассчитан на ра-	алюминий-кремний-карбидные платы име-	ные измерения [2, 9]. Infineon известна также
боту при температурах до 150 °C. Модуль	ют значительно более высокую надежность	разработками автомобильных датчиков дав-
HybridPack2 сконструирован для инвертор-	при температурном циклировании, чем более	ления и температуры.
ных систем с прямым водяным охлаждением	дешевые медные платы-основания. Цена крем-	Ассортимент микроконтроллеров предо-
(температура охладителя 75 °C), включает	ний-нитридного субстрата-основания значи-	ставляетвозможностьвыбораот 8-до 32-бит-
медную плату-основание с оригинальным	тельно выше, чем цена алюминий-оксидного,	ных устройств семейства TriCore для управ-
названием PinFin пластинчатого типа с вы-	но и тепловые характеристики его лучше.	ления батареей, контроля DC/DC-преобразо-
водами и керамическую подложку-субстрат.	Вместо этого Infineon применяет в Hybrid-	вателей, электрических приводов и главной
Применен тот же процесс проводного соеди-	Pack1 и HybridPack2 медные платы и алюми-	системы powertrain. МК Infineon обеспечива-
нения, модуль рассчитан на те же условия	ний-оксидный субстрат, которые отличаются	ют масштабируемые характеристики, работу
крепления и монтажа, что и HybridPack1.	улучшенными свойствами. Данная комбина-	в реальном времени и специализированные
Но ключевой технологией корпусирова-	ция материалов позволяет значительно сни-	признаки безопасности. Для достижения
ния для соединений в модуле HybridPack2	зить цену модуля и достичь целевой автомо-	максимальной производительности ресурсов
являетсяультразвуковаясварка.Посредством	бильной надежности в 1000 температурных	созданы низкоуровневый драйвер AUTOSAR
использования инновационного сварочного	циклов от –40 до +125 °C.	и другие средства.
процесса и модификации схемы плотность		SiC и GaN —
мощности модуля HybridPack2 была увели-	ТехнологииpowertrainInfineon
чена более чем на 120%.	Компания Infineon широко известна	ключевые технологии будущего
Проводные соединения терминалов за-	многими своими разработками для систем	силовых HEV/EV-устройств
нимают значительное пространство в кор-	powertrain, включая специализированные
пусе ввиду необходимости осуществления	датчики Холла, ГМР и IGBT. Новые раз-	В настоящее время автопроизводите-
множественных соединений и размещения	работки ориентируются также на передо-	ли, поставщики первого порядка (tier one)
подвижного соединительного средства,	вые тенденции в автомобилестроении, где	и компании, выпускающие полупроводники,
при ультразвуковой сварке данное про-	электронные компоненты служат ключом	активно занимаются улучшением IGBT-тех-
странство уменьшается. Процесс ультразву-	к улучшению энергетической эффективнос-	нологии.
ковой сварки является также более быстрым.	ти и снижению эмиссии. На фоне других	Согласно данным Yole Development, сило-
Токонесущая емкость проводных соедине-	производителей Infineon выделяется своими	вые модули составляют примерно 50% цены
ний ограничена, а токонесущая способность	разработками для гибридных автомобилей	инвертора и преобразователей в HEV и EV
толстых медных терминалов, добавленных	(HEV), которые включают силовые полупро-	автомобилях, а поэтому главной целью мно-
к субстрату-подложке в процессе ультразву-	водники, модули, микроконтроллеры и дат-	гих производителей является снижение цены
кового сваривания, не ограничивается. Более	чики (рис. 13в), что позволяет компании	силовых модулей. В последующие годы ожи-
толстые медные терминалы снижают отвод	занимать первое место среди мировых про-	дается снижение цены на 25% [4].

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009

		датчики	компоненты	69
			University Graduate School of Engineering)
	а		достигнуто значительное увеличение тока
			до 300 А для однокристального MOSFET-
			устройства на основе технологии SiC trench
			с низким сопротивлением (рис. 14в).
			До настоящего времени токовая емкость
			SiC ограничивалась. Для того чтобы увели-
			чивать ток, необходимо снижать сопротив-
			ление ON-resistance при одновременном уве-
			личении поверхностной области чипа. Хотя
			одним из признаков SiC-технологии явля-
		в	ются хорошие характеристики ON-resistance,
			увеличение площади приводило к дефектам
			кристалла и сбоям. ROHM адаптировала
			для этих целей эпитаксиальную техноло-
			гию, что позволило расширить площадь
			чипа в 2,5 раза, с 3 3 до 4,8 4,8 мм. Параметр
			ON-resistance был понижен на 20%.
			ROHM и далее будет работать над совер-
		г	шенствованием технологии SiC для приме-
			нения ее в гибридах.
			Различные компании — не только ROHM,
			но и Mitsubishi, Toyota — разработали прото-
			типы инверторов, основанные на SiC диодах
			и переключателях, которые показывают зна-
			чительное снижение размера: до 1/4 размера
			кремниевых устройств.
			SiC характеризуется следующими преиму-
			ществами в HEV/EV-применениях (лучшая
			плотность мощности, меньшие потери, более
	б		высокие рабочие температуры), но ценовой
			фактор важен и здесь. Применимость SiC-
	Рис. 14. SiC-технологии ROHM:		переключателей первостепенна,	поскольку
			она будет допускать снижение цены охлаж-
	а) SiC силовые модули, разработанные для Honda; б) SiC SBD и SiC MOSFET пластины;
			дающих систем.
	в, г) характеристика и внешний вид 300-амперного чипа на основе SiC trench MOSFET технологии
			По данным Yole Development [11], рынок
			SiC-устройств составил в 2008 году $2,6 млрд
	Но в 2014 году в EV/HEV-область наме-	ния, требующих минимальную токовую	в $12-миллиардномбизнесесиловыхдискрет-
	чено внедрение кремний-карбидной (SiC)	емкость в 600 А, усовершенствования техно-	ных компонентов, основанных на кремнии.
	технологии для следующего поколения ин-	логии продолжались. Токовая емкость, на-	EV/HEV и PV инверторы (PhotoVoltaic — фо-
	верторов, альтернативой которой является	пример, может быть повышена до 200–300 А	товольтаика) будут характеризоваться самым
	GaN-технология.	при параллельном включении нескольких	высоким CAGR (>15%/год). Но ввиду их це-
	Применение альтернативных полупровод-	чипов с большой областью затвора (размеры	ны Yole Development ожидает, что только
	никовых материалов типа карбида кремния	кристаллов превышают 10 10 мм), с приме-	~4% кремниевых дискретов будет замещено
	обусловлено большими потерями при пере-	нением проводных соединений.	SiC-аналогами в 2019 году. Низковольтные
	ключении, типичными для кремниевых ма-	Работая с Honda, компания ROHM не-	применения (<1,2 кВ) составляют подавля-
	териалов. Применение SiC позволяет значи-	сколько ранее анонсировала о своем наме-	ющее большинство продаж SiC-устройств,
	тельно сократить эти потери, снизить размер	рении усовершенствовать SiC-полупровод-	но в следующие два года возможно расши-
	и повысить эффективность силового модуля.	ники в автомобильных гибридах. На основе	рение диапазона до среднего (1,2–1,7 кВ),
	Большинство существующих и новых EV/	технологии ROHM MOSFET, диодов Шоттки	а с 2013–2014 годов ожидается возникнове-
	HEV-производителей работает и над SiC-,	и опыта Honda в корпусировании высоко-	ние высоковольтных применений — вместе
	и над GaN-технологиями.В диапазоненапря-	мощных устройств партнеры разработали	с технологическими улучшениями и сни-
	жений 600–1200 В технологии GaN являются	модуль инвертора на 1200 В и 230 А (289 кВА)	жением цены. Для снижения цены, прежде
	серьезным конкурентом для SiC, во многом	(рис. 14а, б, [5, 10]).	всего, важны два аспекта: цена SiC-субстрата
	благодаря лучшему соотношению харак-	При использовании SiC вместо кремния	в $/мм2 и цена производства SiC-устройств,
	теристики/цена в сравнении с SiC. Toyota	устройства ROHM SiC DMOS и SiC SBD	с акцентом на процесс эпитаксии.
	и другие компании рассматривают данное	(Schottky-Barrier Diode) дают 1/4 потерь	Внедрение SiC-технологии в автомобиль-
	решение.	переключения. Одновременно допускает-	ную промышленность EV/HEV намечен
	Компания ROHM, поставщик полупро-	ся в 4 раза более высокая переключающая	в 2014 году.
	водников, осуществила разработку SiC trench	ШИМ частота, которая может быть увели-	В 2008 году данный рынок достиг $23 млн,
	MOSFET с низким сопротивлением ON-	чена с 20 кГц для кремниевой версии IGBT	В 2009 году ожидаются сходные показатели,
	resistance (сопротивление в течение работы)	до 80 кГц для SiC MOSFET и диодов Шоттки.	а в 2014 году рынок будет приведен к объ-
	со способностью работать на 100 А с площа-	Более высокая частота может снижать размер	емам $100 млн. В дальнейшем данный ры-
	ди 3 3 мм. Но ввиду существования потреб-	и цену компонентов.	нок будет оцениваться в сотни миллионов
	ности в силовых модулях для электрических	Летом2009годасообщалось,что совместно	долларов, с доминированием применений
	автомобилей и других средств передвиже-	с университетом инжиниринга Киото (Kyoto	в инверторах EV/HEV и PV.

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009

www.kit e.ru

КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ • № 12 '2009

70		компоненты		датчики

Принятие SiC-технологии будет связано	Ввиду того, что в гибридах используются	Дополнительную информацию мож-
с процессами квалификации для конкрет-	высокие напряжения, особое значение при-	но получить на сайтах компаний, перечис-
ной промышленности (особенно для авто-	обретает автомобильная безопасность.	ленных в статье: автопроизводителей, сис-
мобильного сектора). В следующем десяти-	Важен непрерывный мониторинг гальва-	темных поставщиков и фирм, выпускаю-
летии при выполнении этих условий Yole	нической изоляции батареи, что требует осу-	щих полупроводники.		n
Development допускает $800-миллионный	ществления сенсорных функций батарейной	Литература
размер рынка SiC-устройств.	системы и микропроцессорного управления,
Автомобильные условия	включения и отключения ее в любых сбой-
	ных ситуациях. Доступ пользователя к высо-	1. Сысоева С. Взгляд на современный рынок ав-
эксплуатации и безопасность	ковольтным терминалам также должен быть	томобильных датчиков. Основные тенденции
	блокирован.	и важнейшие рыночные фигуры // Компоненты
Автомобильные условия эксплуатации	Плагинные гибриды, помимо обычных	и технологии. 2006. № 7.
приводят к специфическим требованиям	мер безопасности, отличаются требованием	2. Сысоева С. Новые тенденции и перспективные
к полупроводниковым устройствам систем	обеспечения безопасности подзарядки.	технологии автомобильных датчиков сис-
powertrain [2, 3, 5, 8, 12].	Батарейная аккумуляторная система	тем powertrain и контроля эмиссии. Часть 1.
Тепловая среда, в которой находятся элек-	Mercedes-Benz S 400 BlueHybrid, которую	Состояние и перспективы рынка датчиков
тронные устройства, может достигать 150 °C.	производит Continental, состоит из блока ли-	положения, скорости, датчиков концентра-
Двигатель, трансмиссия достигают даже бо-	тий-ионных ячеек с контроллером и системы	ции кислорода (газа), массового расхода воз-
лее высоких рабочих температур, до 200 °C.	мониторинга со схемой супервизора ячеек,	духа и давления // Компоненты и технологии.
Температура в камерах сгорания достига-	которая обеспечивает функции батарейного	2006. № 7.
ет 500 °C, где работают датчики давления.	управления, а также высокопрочного корпу-	3. Сысоева С. Новые тенденции и перспектив-
Выхлопные системы работают с датчиками	са, охлаждающего геля, пластины радиатора,	ные технологии автомобильных датчиков сис-
при температурах порядка 800 °C, колесные	системы охладителя и высоковольтных со-	тем powertrain и контроля эмиссии. Часть 2.
системы, системы электронного торможения	единителей. Интегрированная схема контро-	О датчиках температуры и обо всех остальных //
и рулевого управления — при температурах	лирует общее батарейное состояние, темпе-	Компоненты и технологии. 2006. № 8.
до 300 °C. Автомобильные условия эксплуа-	ратурные и энергетические характеристики	4. http://www.yole.fr/pagesAn/products/power_
тации предполагают, в частности, холодный	системы в процессе эксплуатации, своевре-	electronics_for_ev_and_hev.asp
старт двигателя, работу автомобильных систем	менно выполняя ее блокировку.	5. Frank R. Power Electronics Challenges for Hybrids //
в условиях низких температур и их перепадов.	В данном автомобиле реализована семи-	Autoelectronics. Nov/Dec 2008.
Поскольку ECU устанавливаются близко	уровневая концепция безопасности гиб-	6. Frank R. Regenerative Braking Free Energy //
к системе,не толькодля датчиков,но и для си-	ридной технологии, согласно которой все	Autoelectronics. May 2009.
ловых полупроводников критическим фак-	компоненты надежно изолированы, литий-	7. Hamada K. Evolution of Hybrid Vehicle Electric
тором является их переходная температура,	ионная батарея помещена в высокопрочный	System and its Support Technologies. Toyota
превышение которой становится причиной	стальной корпус с дополнительным крепле-	Motor Corporation. APEC 2007. System Design.
многих сбоев.	нием. В случае сбоя высоковольтная система	Feb 2007.
Во многих автомобильных применениях	будет автоматически выключена, при ава-	8. Sayeed A. Putting the electrical power in hybrid
силовое устройство должно работать в ре-	рии — за доли секунд.	powertrains. Infineon Technologies // Autoelectro-
жимах получения мощности, что означает	Заключение	nics. May/June 2007.
необходимость в соответствующих схемах		9. СысоеваС. Магнитоуправляемые,MEMSи муль-
теплового управления.		тисенсорные датчики движения 2009 года —
Автомобильное электрическое окружение	Обзор, выполненный в данной статье,	функциональнее, точнее, миниатюрнее пред-
также отлично от других силовых систем,	проводился с целью показать общие стра-	шественников // Компоненты и технологии.
поскольку характеризуется снижением на-	тегические направления в автомобильном	2009. № 8.
пряжения или перенапряжением при старте,	бизнесе, существующие сегодня на мировом	10.	http://www.rohm.com/ei/pdf/embedded-
например, при запуске от аккумулятора дру-	рынке, обозначить роль электронных систем		ideas04-e.pdf
гого автомобиля, переходными процессами,	и компонентов и дать информацию об акту-	11.	http://www.yole.fr/pagesAn/products/sic.asp
сгенерированными системами альтернатора	альных технологиях, разработанных веду-	12. Wagner G., Craig A. Functional power solutions
или системой зажигания, реле, соленоидами	щими производителями для осуществления		for powertrain. Fairchild Semiconductor //
или другими устройствами.	своих стратегических намерений.		Autoelectronics. May, 2006.