上海贝岭：超小封装物联网能效监测芯片BL0971

发布时间：2024-11-20 11:26
作者：AMEYA360
来源：上海贝岭
阅读量：147

　　随着新能源汽车产业的发展，对充电设施的便利、安全、智能化等方面均提出了更高的要求。许多新车型开始采用800V架构，一辆搭载100kWh电的电动汽车，只需要15min即可完成30%～80%的充电，大大缩短了充电时间，使得当前消费者的快速充电需求得以满足。在同样充电功率时800V电池平台相比400V电池平台，只需要400V时充电电流的一半，减少了导线和电气组件的热损耗，提高了系统的能效和安全性。为实现安全、有序充电，固定充电桩设备需要对直流电压/电流、能效、温度等物理量进行实时监控，在保证测量精度足够高，电能计费准确的同时，充电中一旦出现异常，可立即实施保护断开。另外，在新能源车随车充的应用中，由于空间紧凑，需要更小的芯片体积。

　　·BL0971产品介绍·

　　为实现这些监测及应用需求，上海贝岭在之前的物联网能效监测芯片BL0972的基础上，针对直流充电桩的应用需求，推出了超小封装的BL0971交直流能效监测芯片。

上海贝岭：超小封装物联网能效监测芯片BL0971

上海贝岭：超小封装物联网能效监测芯片BL0971

　　BL0971是一颗内置时钟/外接晶振的单相交直流能效监测芯片。可用于交/直流断路器、交/直流照明能耗监控、交/直流物联网仪表或终端等产品。

　　·产品特性·

　　1U1I模式，1路电流，1路电压测量 ;2I模式，2路电流测量;

　　高精度，在输入动态范围(5000：1)内，交流有功电能非线性测量误差小于0.1%;

　　交流电压和电流有效值，测量动态范围(2500：1)内，有效值非线性误差小于0.1%;

　　可选直流信号测量，输入范围2000：1，测量误差<±1%;

　　对于输入波形，可以通过选择不同滤波器，来获得全波、交流或直流的有效值及功率;

　　内置波形寄存器，可以用于波形分析;

　　测量电流、电压有效值、有功功率、无功功率、有功电能、无功电能等参数;

　　批次出厂增益误差小于 1%，外围元件满足一定条件下可以免校准;

　　SPI/UART 通讯接口，满足交/直流计量、检测、故障监控时高速率的数据交互需要;

　　内置基准参考电压源;

　　支持内置时钟或外接晶振，可根据应用场景选择;

　　单工作电源3.3V，低功耗15mW(典型值);

　　过流、过压、欠压快速检测、中断输出可配置，满足直流充电桩保护的需求;

　　可用于保险丝保护，最快10ms产生中断输出;

　　QFN20封装，4*4mm，体积小。

上海贝岭：超小封装物联网能效监测芯片BL0971

　　·上海贝岭选型方案·

　　上海贝岭拥有完善的电源管理、信号链等系列产品可供选择。以下为部分汽车充电桩应用的产品型号。

上海贝岭：超小封装物联网能效监测芯片BL0971

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　　一、 概述　　在中国电动两轮车已经成为人们日常生活中必不可少的交通工具。随着电动自行车国家标准的不断改进，电动自行车向着低速、高安全性和长续航里程等方向逐渐演进。与此同时，市场对于高速、智能和长续航的电动轻便摩托车及电动摩托车的热情也不断上升。　　功率MOSFET作为电动两轮车控制器的核心器件，其性能决定了控制器系统的整体效率。上海贝岭作为功率MOSFET市场的主要供应商之一，现推出针对电动轻便摩托车控制器的新产品BLP04N11，该器件针对电摩控制器应用特点，优化器件击穿电压和降低开关及导通损耗，助力客户产品迸发更高峰值性能。　　二、 电动轻便摩托车控制器应用解析　　电动轻便摩托车通常使用锂电池供电，使用电池电压挡位可分为48V、60V及72V，配备的电机额定功率范围在400W~3000W。电动轻便摩托车控制器的核心组成部分之一为功率MOSFET组成的三相全桥逆变电路。逆变电路受MCU的PWM调制及对应的栅极驱动器控制，实现直流到交流的变换，从而驱动无刷电机运转。　　图1 电动轻便摩托车控制器拓扑图　　三、 贝岭SGT技术平台及BLP04N11器件特点　　上海贝岭基于上海积塔最新SGT Gen2平台，研发110V SGT MOSFET器件系列产品，在SGT Gen1平台的基础上，进一步优化屏蔽栅结构，加强终端结构，使得器件具有较低的导通电阻和较高的击穿电压。针对电动轻型摩托车控制器应用中高效开关转换和低导通损耗的应用需求，贝岭BLP04N11对应优化效果如下：　　1、低导通电阻Rds(on)　　提高电动轻型摩托车控制器的能效水平的一个方式是降低器件导通损耗。导通电阻Rds(on) 决定了功率MOSFET在导通器期间内的损耗。在使用相同封装的情况下，贝岭器件相较于市场主流同规格产品，具有更低的导通电阻Rds(on) ，导通损耗的降幅可达5%。　　2、低FOM值　　提高电动轻型摩托车控制器的能效水平的另一个方式是降低开关损耗。对于相同的驱动电路，较低的栅极电荷使得开关速度加快，以降低开关损耗。性能品质因数Figure of Merit (FOM= Rds(on) × Qg，Rds(on) 导通电阻，Qg栅极总电荷)，简称FOM值，是MOSFET的一个重要指标，用于评估性能的优劣。在使用相同封装的情况下，贝岭器件相较于市场主流同规格产品，具有相对较低的FOM值。6.5%的降幅可以提高轻型电摩控制器的整体能效和减少器件的负载，可提高控制器的使用寿命。　　3、板级温升表现　　得益于贝岭BLP04N11产品较低的导通电阻Rds(on)和电荷参数，在轻便电摩控制器额定功率1500 W的稳态带载测试中，与市场主流产品相比整体可减少来4~6%的损耗。若在相同输出功率的情况下，贝岭器件低损耗的特点可以提高电动轻型摩托车的续航里程。若在过温保护点不变的情况下，贝岭器件可以允许客户控制器输出更高功率。　　4、抗短路能力　　贝岭BLP04N11产品为应对控制器应用中的极端工况，加强器件抗短路能力，可以满足72V锂电电池满电、馈电等不同工作电压下的轻型电摩控制器相间短路的可靠性要求。　　四、 贝岭功率器件选型方案　　上海贝岭功率针对电动自行车、电动轻便摩托车、电动摩托车、电动叉车和轻型低速四轮车控制器应用设计有多条SGT产品线，包含70V、85V、100V、110V和150V等电压等级器件，欢迎垂询!具体型号参考表1。　
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　　一、引言　　逆变焊机作为一种先进的焊接设备，在现代工业中占据了重要的地位。与传统的变压器式焊接设备相比，具有诸多优点，如：　　高效节能　　由于逆变焊机的工作频率很高(通常在20kHz~100kHz)，因此它能更有效地利用电能，减少能量损失。　　轻便便携　　相比传统焊机，逆变焊机体积小、重量轻，易于携带。　　焊接性能好　　逆变焊机能提供更稳定的电弧，减少飞溅，提高焊接质量。　　可调节性强　　用户可以根据不同的焊接材料和厚度来调整焊接参数，灵活性更高。　　如图1所示，逆变焊机工作原理是先将电网提供的工频交流电转变为直流电，然后通过电子开关(IGBT/MOSFET)将直流电逆变成高频交流电，最后通过整流得到适合焊接工艺要求的电流和电压。　　图1 逆变焊机工作方框图　　二、逆变焊机拓扑介绍　　逆变焊机主电路拓扑已经较为成熟，主要的拓扑有双管正激式、推挽式、半桥式、全桥式等。　　图2.1为半桥式拓扑结构。该拓扑由两个功率管组成桥式电路，其对称交替导通有利于变压器完全复位，磁芯利用率高，输出响应快，且半桥分压电容器的存在能够较好抗磁偏。该拓扑广泛应用于中小功率逆变焊机。但在相同功率下，半桥式功率管要承受更大的电流。　　图2.2为全桥式拓扑结构。该拓扑由四个功率管组成桥式电路，主要应用于大电流、大功率场合，变压器磁芯利用率高，成本也相应较高。　　三、逆变焊机IGBT损耗分析　　目前市面上大部分逆变焊机采用的为硬开关电路，电路拓扑如图2.1和2.2，通过测试分析，该应用场景IGBT器件的损耗主要来源于以下四个部分，如图3.1所示：　　1、IGBT器件内部合封二极管续流和反向恢复过程损耗Ediode　　2、IGBT开启损耗Eon　　3、IGBT通态损耗Econ　　4、IGBT关断损耗Eoff　　如图3.2所示，逆变焊机硬开关应用中，关断损耗Eoff占比最大，其次为导通损耗Econ。　　图3.2 IGBT损耗占比　　四、上海贝岭650V/80A IGBT产品优势　　为适应逆变焊机客户大电流IGBT单管需求，上海贝岭研发推出650V/80A IGBT单管BLG80T65FDK7，助力高效率逆变焊机设计。该器件具有开关速度快、关断损耗小、导通电压低等特点，可满足客户高效率设计要求。　　4.1、器件技术　　上海贝岭650V/80A IGBT产品BLG80T65FDK7采用了第七代微沟槽多层场截止IGBT技术，进行了特殊工艺控制，优化了VCE(sat)和Eoff参数，提升了产品的可靠性。　　4.2、饱和压降VCE(sat)　　逆变焊机中IGBT的导通损耗占总损耗比例较大，影响导通损耗的主要参数为VCE(sat)，常温下贝岭BLG80T65FDK7导通压降比竞品低12%，导通损耗比竞品更低。　　4.3、关断损耗Eoff　　BLG80T65FDK7具有较小的寄生电容，这保证了器件有更高的开关速度，开关频率高达50kHz以上，如图4.2所示，通过测试IGBT的损耗，BLG80T65FDK7关断损耗比竞品低5%。　　4.4、系统优势　　IGBT开关频率的提高还可以显著提升逆变焊机对电流的控制精度，同时器件损耗的减小，可在大功率输出工况下提升焊机的工作效率，显著降低正常工作时IGBT器件的温升。上海贝岭BLG80T65FDK7基于优异的器件设计，为逆变焊机系统顺利通过温升、输出短路等测试提供了保障。如图4.3，常温自然散热情况下，贝岭BLG80T65FDK7和竞品壳温基本一致，满足客户的需求。　　五、上海贝岭功率器件选型方案　　上海贝岭功率器件产品线齐全，包含MOSFET、IGBT等系列产品，为逆变焊机主逆变和辅助电源设计提供助力，具体型号参考表1：
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　　一、概述　　随着新能源汽车对800V平台技术的大量应用，汽车各高压部件就随之提出了由400V向800V切换的需求。高压PTC (Positive Temperature Coefficient)加热器作为汽车热管理系统中重要的一环，对电池、电机、电控等部件进行温度控制和管理，从而确保其能适应多样化的外部条件，使各部件能工作在最佳温度区间，提高新能源汽车的性能与安全性。　　二、车载PTC工作原理及拓扑结构　　PTC热敏电阻是一种基于正温度系数的特殊半导体陶瓷材料的电阻，其温度-阻值曲线如图1所示：在室温下，器件电阻值相对较低;当电流流经PTC电阻时，其产生的能量会使PTC电阻升温;当器件温度超过居里温度时，PTC阻值会迅速增大，回路电流会相应减小。从而可实现PTC温度维持在一定范围内。　　图1 PTC 电阻值-温度曲线　　图片来源：汽车热管理研发　　高压PTC模块的常用典型拓扑如图2所示：输入高压电由电池包取电，通过滤波后为PTC组件供电，低压部分由反激电路实现高低压隔离，功率回路通常采用并联分离驱动的方案。以图2为例，4路PTC组件代表四种工作模式，根据不同的功率需求选择开启通道数。霍尔电流传感器检测母线电流，水温传感器用以检测换热液温度以调节PTC加热器占空比实现恒温控制。　　三、贝岭BLG40T120FDL5产品介绍　　针对高压PTC应用，上海贝岭推出1200V 40A IGBT产品BLG40T120FDL5-F。采用第二代微沟槽多层场截止技术，优化了导通压降和开关损耗，实现了更好的输出特性。　　图3工艺特点　　BLG40T120FDL5合封全电流FRD，减少了电路设计时的元器件数量，提高了整体可靠性。　　图4 封装内部示意图　　为高压PTC应用提供更优的散热性能与绝缘性能，上海贝岭BLG40T120FDL5采用TO247封装。　　图5 BLG40T120FDL5-F封装外观　　四、贝岭BLG40T120FDL5性能优势　　1、通态压降Vce(sat)　　对于PTC应用而言，其较低的频率导致了器件的通态损耗在总损耗中的占比提高，为了降低损耗带来的温升，确保器件可工作在安全的温度范围，低通态压降Vce(sat)是评估IGBT器件的一个重要指标。上海贝岭BLG40T120FDL5拥有较低的导通压降，在该类应用中展现出更出色的性能。　　2、漏电流 Ices　　PTC应用中IGBT工作环境会高达125℃左右，上海贝岭BLG40T120FDL5有助于在高温环境中降低漏电流，在PTC复杂的应用场景下，在阻断状态具更低的自热，更低的结温，因而可靠性更高。　　3、向偏置安全工作区RBSOA　　RBSOA反映了IGBT器件在关断过程中CE在承受反向电压时能够安全关断的安全工作区域。在实际应用中，由于PTC的温度特性，会在居里温度附近开启时产生较大的电流，为保证PTC加热器的可靠运行，需要器件有3~4倍额定电流的安全工作区域。　　图8中CH1通道为栅极波形，CH2为CE间电压波形，CH4为Ic电流波形，室温下BLG40T120FDL5关断电流可达236.6A。　　图8 BLG40T120FDL5室温下的最大关断电流波形　　4、短路时间SCWT　　在车载高压PTC应用中，设置短路保护时同样需要考虑PTC的温度特性，为避免居里温度开启时低电阻导致的大电流触发保护机制，因此保护电流设定会偏大，并且短路保护时间达到6us以上。　　图9为BLG40T120FDL5在800V高压下的短路波形，CH1通道为栅极波形，CH2为CE间电压波形，CH4为Ic电流波形。在800V母线电压下，BLG40T120FDL5短路耐受时间达12us。　　图9 BLG40T120FDL5在800V高压下的短路波形　　五、贝岭器件选型方案　　表1 功率器件选型列表　　贝岭功率器件产品线齐全，包含MOSFET、IGBT等系列产品，为高压PTC加热器设计提供助力!
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