基于AMR的电流感应助力下一代电动汽车充电

基于 AMR 的电流感应助力下一代电动汽车充电

扩大和升级电动汽车 (EV) 和其他动力移动应用的充电基础设施对于提高社会接受度至关重要。实施强大、有效的 EV 充电系统是解决范围焦虑和充电速度等问题的方法。市场机会正在增长，预计到 2025 年电动汽车充电装置将超过 900 万台。本文探讨了基于 AMR 的电流传感如何使电动汽车和相关充电基础设施受益。

扩大和升级电动汽车 (EV) 和其他动力移动应用的充电基础设施对于提高社会接受度至关重要。实施强大、有效的 EV 充电系统是解决范围焦虑和充电速度等问题的方法。市场机会正在增长，预计到 2025 年电动汽车充电装置将超过 900 万台。本文探讨了基于 AMR 的电流传感如何使电动汽车和相关充电基础设施受益。

电流感测的作用

改进的各向异性磁阻 (AMR) 电流感应技术使我们家庭和商业场所的电力基础设施能够解决 EV 充电系统的可靠性和安全性问题。有效的电源管理可避免性能不佳和灾难性故障等问题，这些问题会造成严重的火灾危险和潜在的死亡事故。电流检测技术增强了系统功能并直接解决了可靠性和安全问题。关键要素包括测量电流、确保的功率因数校正、有效的频率管理以及解决与提高任何特定电源转换系统的效率、安全性和性能相关的热问题。

为了预测和处理潜在有害的电源转换问题，EV 电池充电系统必须能够管理超出范围的电流情况、立即检测过流情况或识别其他性能损失。问题可能包括意外的接地故障、短路、在极高功率水平下运行或超出电源电路容量的欠载情况。先进的电流测量是防止电子设备损坏的过电流和欠电流的重要组成部分，尤其是在 EV 充电系统的速率和强度下。

过去基于熔断器的电路保护已不再足够。先进的电流检测还可以提高性能，同时保护 EV 充电电路和连接到它的任何车辆电池免遭恶意或无意的误用。当采用磷酸铁锂 (LFP) 或钛酸锂 (LTO) 技术 (SoF) 时，库仑计数可用于确定电池的充电状态 (SoC)、健康状态 (SoH) 和功能状态。

电路保护

使用ACEinna等 AMR 电流感应工具，任何过流检测响应都可以更好地执行。此外，AMR 电流传感器的固有隔离使其适用于电路的高侧和低侧，从而提高了性能和安全性。这些非接触式电流传感器没有功耗问题，提供更快的读出时间，并使用有源反馈回路来校正偏移。这允许充电器修改增益参数并补偿传感器偏移。

过流和欠流保护、智能故障管理以及外力和轻微损坏等意外安全隐患都取决于快速和的电流检测。由于它们的密切关系，电源管理和热管理是同义词。

电动汽车中的电流感应

对于基于交流电的 EV 充电系统，功率转换器的接受率控制着充电速度，充电速度因需要对交流电进行整流而降低。直流充电器完全避开转换器，加速充电过程。现代电源转换系统可以解决热量问题，提供的功率因数校正，并通过改进电流感应来增强频率管理。无论原因是接地故障、短路事件还是高负载条件，都可以通过电流测量来控制系统热性能，从而避免系统损坏。

与简单的运算放大器和比较器实施相比，新纳电流检测解决方案的集成封装节省了空间。集成设备将始终小于由分立部件组装而成的设备。

功率因数校正 (PFC) 可提高功率因数比，降低电网压力，提高能源效率并降低电价。电能质量(图 1)是优化充电的重要组成部分。有效的低压侧电流检测提高了电源可用性。除了比分流器更小之外，基于 AMR 的电流传感器也更有效并且产生的热量更少。此外，与基于霍尔的系统相比，AMR 芯片具有更大的工作带宽和更高的采样率。

AMR传感器的优势

AMR 传感器利用电流流过导线时产生的磁场来测量与其感应方向平行的磁场强度。放置在 AMR 材料上的 U 形导体是传感器测量磁场的方式。当导体携带相关电流时，磁场会围绕导体。

AMR 传感器位于相对的载流导体顶部，距其对称轴的距离相同。输出信号由平行于 AMR 传感器感应方向的磁场强度决定。该测量值被传感器转换为电压输出。

一种称为坡莫合金的镍铁合金具有在磁场中按比例变化的电阻，而无需接触产生它正在监测的磁场的电路。因此，就像变压器一样，AMR 芯片也是电隔离的。它们还可以加快读取速度，同时通过有源反馈回路主动补偿传感器偏移，从而允许电路修改增益参数。

结论

为了对电力电子设备提供必要的反馈，大功率 EV 快速充电应用需要改进电流测量。有多种电流感测方法，每种方法各有优缺点。性能、可靠性和安全性都是基于 AMR 的电流感测解决方案所提供的因素。它们还有助于电路保护、降低成本、缩小外形尺寸和应对关键电路设计挑战。

25倍产能提升，罗姆开启十年SiC扩张之路

在过去的两三年里，晶圆供应短缺一直是制约SiC产业发展的重大瓶颈之一。面对不断增长的市场需求，包括晶圆厂在内的众多重量级玩家已经意识到必须扩大投资，以支持供应链建设，而以罗姆(ROHM)为代表的日系厂商就是SiC市场的一支重要力量。

碳化硅(SiC)作为半导体材料具有优异的性能，尤其是用于功率转换和控制的功率元器件。但SiC在天然环境下非常罕见，最早是人们在太阳系刚诞生的46亿年前的陨石中发现了少量这种物质，所以其又被称为“经历46亿年时光之旅的半导体材料”。

Yole预计，未来5年内，将有数十亿美元投资于晶体和晶圆制造以及设备加工，SiC功率器件将很快占据整个功率器件市场的30%。到2027年，其市场潜力将达到60亿美元，高于2021年的约10亿美元。

但在过去的两三年里，晶圆供应短缺一直是制约SiC产业发展的重大瓶颈之一。面对不断增长的市场需求，包括晶圆厂在内的众多重量级玩家已经意识到必须扩大投资，以支持供应链建设，而以罗姆(ROHM)为代表的日系厂商就是SiC市场的一支重要力量。

10年，25倍产能提升

罗姆公司从2000年就开始进行SiCMOSFET的基础研究，并在2009年收购德国SiC晶圆材料厂商SiCrystal，从而拥有了从晶棒生产、晶圆工艺到封装组装的完全垂直整合的制造工艺。其里程碑事件包括2010年全球首发SiCSBD(肖特基二极管)/MOS并实现量产、2012年全SiC模块量产、2015年沟槽型SiCMOS量产、2017年6英寸SiCSBD量产、以及在2021年发布了第4代沟槽SiCMOSFET，并有望在今年实现8英寸SiC衬底的量产和明年推出全SiC牵引功率模块。

在中国国内，罗姆近两年内也与大量客户展开了合作，包括2020年与纬湃科技、臻驱科技合作开发碳化硅电源解决方案;2021年与吉利签署了战略合作协议，与正海集团成立碳化硅功率模块合资公司海姆希科;2022年，Lucid公司OBC应用了罗姆的SiCMOSFET。同年，罗姆的SiCMOSFET也通过了赛米控公司的认证，应用在其eMPack®模块中。

市场调研机构的相关数据显示，2013年罗姆在全球SiC市场的份额为12%，到2018年已增长至23%。面对市场对SiC产品急速增长的需求，罗姆制定了积极的产能扩张计划，准备在2021-2025年为SiC业务投入1700-2200亿日元，这一计划的实现将依托于罗姆位于宫崎的两个基地和筑后工厂新厂房的投入使用。相比2021年，预计2025年SiC产能将提升6倍，到2030年提升25倍。

SiC最初的应用场景主要集中在光伏储能逆变器、数据中心服务器UPS电源和智能电网充电站等需要转换效率较高的领域。但人们很快发现，碳化硅的电气(更低阻抗/更高频率)、机械(更小尺寸)和热性质(更高温度的运行)也非常适合制造很多大功率汽车电子器件,例如车载充电器、降压转换器和主驱逆变器。尤其是部分汽车厂商采用了SiC器件之后，使xEV汽车市场很快成为SiC市场兴奋的源泉。

下图展示了功率半导体器件的使用场景。如果以开关频率作为横坐标，输出功率或电压作为纵坐标，那么SiC-MOSFET的应用主要集中在相对高频高压的区域，Si-IGBT/Si-MOSFET/GaNHEMT则分别对应高压低频、高频低压和超高频低压应用。

功率半导体器件使用场景总结

据罗姆半导体(上海)有限公司技术中心副总经理周劲的介绍，该公司2021年推出的第4代SiC器件的导通电阻(RonA)较第3代下降了40%，预计2025年和2028年节点推出的第5代和第6代产品还将再降30%。另外，罗姆在今年将实现从6英寸升级到8英寸衬底的量产，并且通过技术提高单个元件尺寸，从目前主流的25平方毫米到2024年实现50平方毫米以支持更高电流输出的需求。

第4代SiC功率器件

总体来说，相较于第3代，罗姆第4代SiC功率器件在低损耗、使用简单、高可靠性上表现突出。例如导通阻抗从30毫欧降低至18毫欧，降幅达到40%，改善了开关特性，提高了效率，减少了发热和误开通;8-15V的栅极驱动电压可以与IGBT等广泛应用的栅极驱动电路通用;750V耐压可简化电路设计;通过减小饱和电流去优化标准导通阻抗和短路耐受时间这两个参数的折中，以提高可靠性。

低损耗

RonA的改善，可在同等芯片尺寸的条件下实现约40-57%ON阻抗的减小，使导通损耗得以降低。热探头拍摄的照片显示了这一特性，如图所示，第3代产品的实际应用温度达到了92度，更换为第4代产品后，只有71度。

此外，开关特性也得以大幅提升。对比数据显示，导通阻抗大致等同的器件的条件下，开关损耗有66%的降低。能够实现高驱动频率，为外围器件及散热器的小型化做出了贡献。同时，Crss/Ciss的容量比的改善抑制了自关断，栅极和源极间电容值的降低有助于实现高速开关动作。

这意味着，在将第3代换为第4代产品的过程中，如果重视导通损耗，就大幅度降低导通阻抗，如前文所述，导通阻抗会降低40%;如果重视开关损耗，就使用同等的25度额定电流产品。与同类产品相比，全负载/1000-5000W范围内，罗姆的产品有效率上的提升。而在高频率开关条件(100KHz)下的Boost-Inverter应用电路中，得益于第4代产品具备更好的高速开关特性，使得产品开关损耗小，同样实现了全负载范围内的高效率。

*以上测试数据来自5kWDCDC转换器试验机，谨供参考。

使用简便

所谓的使用简便，第一个就是栅极驱动电压为8-15V，使得与IGBT等共用栅极驱动电路成为可能。下图左侧，第3代产品在15V和18V驱动时的导通阻抗差为30%，也就是说，如果我们要用15V与IGBT通用的电压驱动，就无法实现SiCMOSFET的理想状态。但演进到第4代后，15V跟18V两种驱动电压的导通阻抗差值只有11%，可以满足一般状态下的碳化硅全负载驱动。但需要强调的是，如果处于重负载状态下，仍然还是推荐18V以上的驱动电压，能够实现最优的导通阻抗的情况。

其次，无负压驱动可以简化电路设计，降低系统损耗。罗姆第4代SiCMOSFET门限电压较高，0V可有效关断，同时寄生电容的减小，也会抑制器件的误开启。

第三是在内部栅极电阻阻值方面，第3代产品为7欧姆，而第4代只有1欧姆。这样，在外围调整整个开关特性时，调整裕量会增大不少，电路设计会更加灵活，更容易实现客户需求。高可靠性

尽管缩减了芯片尺寸并增大了电流密度，但由于采用了独特的器件结构，罗姆突破了RonAvs.SCWT的折中限制，实现了比同类产品更高的短路耐受时间。简单来说，就是在降低RonA的同时，饱和电流下降，短路时的峰值电流较低，成功延长了短路耐受时间。

在实际应用中，以6000W车载充电器为例，对比IGBT、Hybrid-IGBT、SJ-MOS、SiCMOSFET四种方案可以发现，从电路效果来看，最好的是SiCMOSFET，IGBT则器件损耗较高。当然，如果从成本角度考虑，IGBT也是可以使用的，特别是在一些低负载应用的场合，SJ-MOS也有独特的应用优势。

审核编辑：汤梓红