恩智浦：下一代电驱系统应用需求及解决方案

当前电驱系统面临诸多挑战，一是成本系统所带来的问题，二是减轻尺寸和减轻重量的需求，三是模块与芯片的自主研发，四是去冗余的设计。

2023年12月15日，在第四届汽车电驱动及关键技术大会上，恩智浦高压门级驱动应用经理薛苏青表示，要想在当前行业迎来诸多挑战的背景下提升竞争力，一是要提升汽车参数，二是功率、转速、电机技术的提升，三是数据孪生研发，四是质量的提升。此外，在国内研发周期不断缩短的背景下，要做产品的迭代。对于芯片厂商而言，要对每一款车型的具体要求都进行充分把握，做到同一个控制板可以匹配不同的平台，参数的兼容和功能最大优化。

薛苏青指出，下一代电驱系统要求企业在续航里程、成本、安全性、可靠性等方面为终端客户做更多考量。对此，恩智浦积极响应市场需求，持续进行创新，致力于实现行业愿景，为客户提供更优质的产品。

薛苏青 | 恩智浦高压门级驱动应用经理

以下为演讲内容整理：

新能源汽车的市场挑战及发展趋势

先来谈谈新能源汽车方面的挑战。首先，特斯拉打响了价格战的“第一枪”，其价格方面的策略为整个行业带来了不小的影响，几乎每次与客户交流，价格都是最受关注的话题。从整车的上游供应链到Tier1供应商，每一环节都承受着价格竞争的压力。

其次，各家都在寻找新的发展方向。大家的目标一致，那就是如何在各自的品牌中找准定位并增强竞争力。行业正朝着更高效、更安全、更可靠的产品方向发展，而在这个过程中，各家公司有不同的策略和路线选择。产品的竞争力无疑是提升市场地位的关键。

此外，研发周期的需求也在变化。与国际市场相比，中国市场的更新迭代速度更快。每年车展都有新款车型推出，尽管价格有所下调，但产品的整体水平仍在稳步提升。这要求我们在开发过程中，不仅要注重平台化，还要实现产品的快速迭代。

再者，在供应链方面，过去三年受疫情影响，供应链面临诸多挑战。从芯片到材料，各种供应短缺问题层出不穷。但从2024年开始，我们预计供应链状况将有所缓解，但仍需保持警惕。供应链的压力也为我们带来了新的机会，无论是国产半导体还是供应商，都有大量的成长空间。

具体到电驱系统，应如何迎接以上挑战？

首先，成本方面。1）多合一，提高集成度。随着电驱系统走向“多合一”，系统的集成度越来越高，这有助于降低产品尺寸和成本。对于芯片厂商来说，提升IC的集成度是关键，这意味着驱动控制板的体积需要不断缩小。

2）减小尺寸、减轻重量。通过材料和线束的优化，实现了系统的轻量化与紧凑化。同时，我们注重效率的提升，因为这不仅关乎系统性能，还能有效减小电池尺寸，从而降低成本。

3）模块、芯片自主化研发。自主研发了模块与芯片技术，特别是模块封装与外延技术的自主研发，有效地降低了模块的成本。

4）去冗余设计。采用去冗余设计理念，精简电源架构，减少了冗余设计。例如，通过电机实现E-Booster和电压转换，从而省去了额外的DCDC模块。同时，我们也考虑了一类和二类放电问题，通过电子方式实现了一些使用频次不高的电路部分的功能。

其次，产品竞争力方面。1）汽车参数提升。要提升功率、转速等，尤其是百公里加速、续航里程等参数，是直接影响消费者选择的关键因素。为了提升这些参数，我们不断挑战功率、转速、效率和电机技术的极限。例如，扁线电机、双电机、轮毂电机和小尺寸电机的研发，旨在实现更扁平、更小巧的电机设计，同时提高电机的功率输出。

2）电机技术提升。我们致力于提高其在极端工况下的工作效率。欧美国家在这方面进行了大量研究，这也是未来电机技术的一个重要发展方向。

3）云端数据孪生。数据孪生技术的应用是智能化汽车的重要一环。通过电驱系统的实时参数、健康管理、控制和状态数据的整合，实现整个汽车网络的智能化。

4）质量提升。质量是长期化的事情。在产品设计初期，就要将安全性与耐用性作为首要考虑因素。

再者，研发周期方面。1）参数平台化。现阶段要实现产品的快速迭代。为了实现这一目标，需要进行参数平台化设计。对于芯片厂商来说，需要深入研究各类车型和要求，以便在同一个硬件板子上通过更换不同模块和电机来匹配不同的平台。参数的平台化需要电子厂商进行兼容性和功能优化的充分研究。

2）设计简易化。我们希望产品能够像盒子一样易于集成和替换。高度集成化或简易化的设计，有助于车厂和Tier1维护我们的产品。

3）基于参考设计。恩智浦将提供相关的参考设计。我们基于恩智浦MCU控制单元，包括板上的所有可用芯片产品，前期已经为客户进行了功能安全设计。因此，客户在拿到产品后，只需要根据自己的电机来开发电机控制算法，并根据模块参数进行优化。至于EMC前期设计和PCB优化以及功能安全，恩智浦已经为客户预先考虑并完成。

电驱系统发展趋势

近年来，中国汽车产业的发展速度与先进性明显超过欧洲。早些年，A00汽车在国内市场占据主导地位。随着消费者对新能源汽车的接受度提高，其成本优化和满足更多家庭需求的特点吸引了更多消费者，A级汽车和B级汽车实现了快速增长。如今，新能源汽车在噪音和振动方面都有了显著改善，使得更多人愿意选择A级和B级车。

图源：演讲嘉宾素材

对于下一代汽车的用户需求，我们与众多国内外客户进行了深入交流。内燃机车时代，消费者在购买新车时会考虑诸多因素，如油耗、性价比、耐用性和客户反馈等。与内燃机车的时代相似，对于下一代电驱系统，消费者同样关注新能源汽车的耗电量、数年后的性能保持、保值率以及系统老化问题。

为了满足这些需求，下一代电驱系统需要在续航里程、成本、安全性、可靠性和其他细节方面进行更多的考量。例如，通过提高系统效率和采用IGBT和碳化硅技术来增加续航里程；通过优化控制策略来提高效率。在成本方面，确保客户只为所需的功能买单；在安全性方面，保证系统的功能安全并降低失效率；在可靠性方面，希望车辆能够使用更长时间。为此，我们需要设计能够使用四年以上的汽车，在更长的时间内暴露和解决问题。

根据全球调研反馈，不同地区的客户对技术路线的选择有所不同。例如，中国更倾向于双电机技术，法国则更倾向于六相电机技术；特斯拉引领了75%碳化硅使用量的降低；氮化镓是美系车的方向；去稀土化也是欧美企业正在研究的重点。

恩智浦高压门级驱动解决方案

针对下一代电驱系统的挑战，恩智浦可以提供相应的解决方案。我将从提高系统效率、降低成本和提升系统可靠性三个方面进行介绍。

图源：演讲嘉宾素材

这是我们的产品路线图。在2020年，许多客户开始考虑是否需要引入功能安全，并考虑如何制造高端汽车。因此，我们推出了第一代带功能安全15A驱动芯片——GD3100。制造高压门级驱动芯片非常复杂，特别是对于中国市场的多样化需求，对EMC、高压隔离和抗干扰性都提出了更高的要求。我们从2013年开始研发这款产品，投入了很长时间。它是市场上第一款具有功能安全认证的芯片。如果需要进行功能安全认证，这款芯片可以支持。

2022年，大家开始研发800V技术。正如这两天会议议程所提到的，800V主要是出于BMS的要求，需要实现快速充电和效率提升。我们推出了迭代产品——GD3160，它与GD3100 pin2pin兼容。这一阶段，碳化硅和IGBT的封装类似HPD或兼容封装。尽管前后轮和不同车型有所区别，但我们可以使用相同的控制板驱动不同的模块。

经过2022年的讨论，大家认为碳化硅技术已经相对稳定，之后将进一步提高对碳化硅技术的要求。虽然碳化硅可以承受更高的电压和开关速度，但它并没有带来明显的效率提升。相反，它变得更加脆弱，需要更多的保护。在过多保护的情况下，它损失了一部分效率提升的优势。

在2023年Q4这个月，我们量产了新产品GD3162。虽然电机的效率已经达到了97%或99%的最高状态，但在全系统工况下还需要进一步优化。为了提高碳化硅系统的能力，我们需要对工况进行分类处理。在极限情况下、高低温条件下、低速高扭矩和高速时，我们需要对碳化硅或IGBT的电流驱动能力进行分类，以提升全工况的系统性能，从而实现碳化硅效率的真正提升。

另外，GD3162可以进行健康状况监测。为了确保系统的长期稳定运行，我们不仅需要分析数据，还需要采集电机数据以实现更安全、可靠的产品。

目前，碳化硅面临的问题主要在于其工艺生长的外延较慢和设计上的不稳定性，这导致产品间存在差异。在设计时我们需要充分考虑其工况，以确保碳化硅系统的安全，但同时，这可能会折损一定的效率。因此，在下一代产品设计中，我们实时监控了碳化硅和功率模块的状态。

例如，对于电压的漂移、RDSON等参数来说，无法仅通过前期的标定来处理每个模块和产品的差异性。因此，我们采用实时监控的方法，将数据采集并入网进行闭环反馈。

在GD3162产品中，我们还做了数据方面的提升。为了使整个系统更加简化，我们需要将更多的冗余部分集成化和数字化。例如，当前的二类短路在GD3162中已被数字可控化集成，而无需增加任何硬件成本。

关于下一代产品GD3163和GD3164，我们计划在2025年和2026年推出。这一代产品将提供更高的集成度，使我们的下一代控制板更加简洁。所有的电源、门驱和检测信号都将被集成在一起，这将极大地优化我们的生产管控和质量管控。

在这样的路线图中，随着碳化硅技术的不断增强，我们将推出更简单易用的产品，并考虑下一代半导体驱动技术。

GD31xx 开发资源

3160产品的10%设计灵感来自中国客户。中国客户要求更多的功能安全和检测功能。我们希望电流检测、扭矩闭环反馈等都能在GD3160中国客户中得到反馈。3162有30%的设计灵感来自中国客户。从整个产品的定义可以看出，中国客户在电驱系统技术领域已经处于领先地位。以往我们的产品主要面向国际大厂客户定制。但随着时间的推移，我们相信越来越多的客户需求将来自中国本土车厂。

图源：演讲嘉宾素材

未来产品的定制参数需求会更多，我们如何实现效率提升和安全性、可靠性？例如，门级可变技术，我们采用了可变门级电流设计。今天有许多模块厂商，模块的功率输出能力取决于门级输入的功率。对于IGBT的工况，理论上它会随着工况的变化而变化。由于标定状态过多，我们采用了三级标定：弱功能、强功能和中等功能。当IGBT能力不足时，我们可以进行一定的提升。

当出现过度的dv/dt或di/dt时，我们可以降低能量以保证安全性。在安全和效率之间找到平衡点是关键，这种设计可以提升系统BOM的安全性。在设计初期，快速切换或大电流门级可能会导致EMC问题。通过降低门级电流可以改善EMC情况，并帮助我们在低温或恶劣工况下保护IGBT免受冲击。

我们与模块供应商合作进行了一些测试，他们提供了一些解决方案。基于WLPT标准的不同门级驱动可以带来约70%的效率提升。从电机的模拟来看，全工况下系统效率可提升1%-2%。

在降低成本方面，通过数字化方案替代传统的电阻排放电设计。虽然这种变动放电在电机失效时是必要的，但它的使用频率极低，尺寸和重量却很大，还需配备冷却系统，导致整体成本非常高。为此，我们提议利用现有的硬件资源进行改进。

具体来说，我们将利用IGBT的三个桥臂UVW其中一相进行放电。每个桥臂都可以作为一个小型电阻进行放电，通过控制IGBT的开关状态、占空比和开关时间，可以精确控制放电速度，确保在停车状态下安全、可控地释放DClink上的电流。

关于健康监控，我们关注模块Vth的变化。碳化硅在运行过程中Vth可能会漂移，而IGBT老化后Vth会增高。通过监测Vth值是否有漂移，我们可以判断模块是否正常工作，并通过控制策略的调整来应对模块的老化问题。同时，我们还会关注模块间的参数变化，以及是否有突然的老化或炸管风险。

此外，我们还进行了节温估算和内阻的估算。对于IGBT的常见问题如短路和过流等，不仅要及时处理，更要在问题发生前通过检测微小的漏电流变化进行预警。

在数据孪生方面，收集并上传了大量数据，以提升系统的安全性和可靠性。我们也与众多国际和国内模块厂商进行了联合测试，希望我们的控制和驱动参数能够适用于各种应用场景。

我们已开发了三代平台。第一代和第二代平台由江苏智进公司制造，分别基于IGBT+3100门级驱动和3160碳化硅技术。明年我们将推出第三代平台PIM3，这是我们自主研发的产品。

在愿景方面，我们致力于提升效率、实现数据孪生和健康监控。目前这些功能已集成在我们的产品中，并已有初步的demo可供学习。该产品的结构包括S32K396 MCU以及ASILD平台等。

最后，我们提供的资源包括ASILD软件的解码、系统软件和操作系统以及相关文档等。

（以上内容来自恩智浦高压门级驱动应用经理薛苏青于2023年12月15日在2023第四届汽车电驱动及关键技术大会发表的《下一代电驱系统应用需求及解决方案》主题演讲。