车载低压系统升级48V,中低压MOSFET需求爆发

2024-10-25

在燃油车时代,车载低压电子系统上都沿用12V电压,毕竟在很长时间里,车载电气设备的功率都不大,12V电源足够提供整车电气设备的供电。

但随着汽车电气化趋势,包括混合动力、能量回收、发动机启停等需求,用到了更多大功率负载的设备,令12V系统不堪重负。于是48V系统就顺应时代发展被引进汽车,最早是2011年欧洲多家车企联合推出针对混动系统负载需求的48V系统。当时,有48V系统是专为动力部分而设,其他车载电气部件沿用12V系统的同时,增加一组48V电池用于混动系统。

如今汽车智能化需求也在凸显,整车低压系统切换到48V成为新趋势。

电动汽车时代,大功率需求增加

近年AI对算力的需求,加速了数据中心电源架构从12V转向48V的进程。相比12V电源,48V系统的功率容量是12V的四倍,这也意味着系统能够支撑更大的功率负载。与此同时,在相同的功率下,48V系统的损耗也更小,如果替换原有的12V系统,那么在线缆、连接器部分可以选择更低成本的产品。

那么电源架构在数据中心的变化,与目前汽车上的变化是相同的逻辑。在汽车电气化,电动汽车逐渐被推上主流舞台的大背景下,车载设备用电需求激增。

在智能驾驶方面,智驾芯片算力越来越高、传感器数量越来越多;座舱内的娱乐设备升级,包括高分辨率、大屏幕、多屏幕、电动座椅、电动门、高功率的音响系统等;底盘上,电控主动悬挂、线控转向、线控刹车等新增配置;外观上,车灯样式更加丰富,LED点阵的大面积应用增加了整车灯光应用的用电需求。

在实际应用中,48V可能以多种形式出现,比如48V与12V共存,同时配备两种电压的电池组,在底盘、混合动力系统等部分用48V,座舱内用12V;又比如只配备48V电池组,高压电池组通过DC-DC为其供电,电气设备使用全48V,或部分设备使用12V,经过DC-DC降压为这部分设备供电,

实际上由于供应链尚未成熟,以及车企较为保守的态度,目前量产的全48V低压架构车型只有特斯拉Cybertruck。

有意思的是,因为电控主动悬挂、线控转向的加入导致功耗增加,但供应商还无法提供一些48V的设备,这种情况下蔚来在ET9上采用了一种巧妙的方法,使用双路12V电源,配合双DC-DC实现主动悬架的大功率用电需求,同时其他设备也能够沿用12V。

当然,整体往48V演进是必然的趋势,但目前还需要等到供应链的成熟。

48V系统需要的中低压MOSFET

48V系统中,电池组充满电的最高电压是60V,因此过去在12V系统上用到的低压MOSFET不再适用。因此近期多家厂商都推出了80V以上的中压MOSFET,针对车载48V系统的应用。

今年4月,英飞凌推出了OptiMOS™ 7 80V的首款产品IAUCN08S7N013,据称是业内导通电阻最低的80 V MOSFET。与上一代产品相比,IAUCN08S7N013的导通电阻降低了50%以上,最高不超过1.3 mΩ,达到目前业内的领先水平。同时采用了高电流SSO8 5 x 6 mm² SMD封装,在小封装下实现了更低的传导损耗、更强的开关性能和更高的功率密度,取得AEC-Q101标准以上的认证,适用于汽车直流-直流转换器、48 V电机控制(例如电动助力转向系统(EPS))、48 V电池开关以及电动两轮车和三轮车等。

另外100V的 MOSFET也能用于汽车48V系统,英飞凌OptiMOS系列目前有多款车规级100V MOSFET产品。

安森美今年6月推出最新的T10 PowerTrench系列也为汽车48V系统提供80V中压MOSFET,T10技术采用了屏蔽栅极沟槽结构,通过其行业领先的软恢复体二极管(Qrr, Trr)减少了振铃、过冲和噪声,实现了性能与恢复特性之间的平衡。

T10技术节点有M和S两条路线,其中M具有极低的导通电阻和软恢复体二极管,5×6封装的80V MOSFET导通电阻可以低至0.79mΩ,专为电机控制和负载开关进行优化;T10-S专为开关应用设计,注重降低输出电容,整体效率更高,但导通电阻会比M系列稍高。

在硅基MOSFET之外,GaN行业也对汽车48V系统虎视眈眈。去年英诺赛科发布了一款采用16颗 InnoGaN器件的2.4kW buck/boost 方案,为轻混汽车48V系统提供基于GaN的先进解决方案,与当前的Si解决方案相比,Buck满载效率(2400W)提升1.8%,整机损耗减小41%。

另外还有多家功率GaN厂商已经推出100V GaN FET产品,布局汽车48V系统,包括EPC、TI、英飞凌、氮矽科技等。

小结:

从产业链发展的阶段来看,未来很长时间内汽车低压系统可能都会是12V和48V共存的状态,但随着主机厂需求和供应链的推进,低压系统全部切换48V也只是时间问题。

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