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最大程度提高对汽车@@以太网@@@@应用的@@@@ESD保护@@

judy — Thu, 28 Dec 2023 03:14:17 +0000

数十年@@来@@@@，以太网@@广泛应用于工业@@和@@计算网@@络@@，但如今@@，越来@@越多地部署到汽车@@应用@@，取代了控制器局域网@@络@@(CAN)等传统网@@络@@。汽车@@以太网@@@@提供拓扑灵活性@@、高带宽和@@稳定的@@通信@@，能够满足原始设备制造商@@(OEM)从域向区域网@@络架构过渡期间的@@车内数据通信需求@@。本文首先讨论各种汽车@@以太网@@@@标准@@@@@@，然后再考虑它们必须符合的@@严格静电保护@@@@(ESD)和@@电磁兼容性@@(EMC)标准@@。最后介绍@@ Nexperia（安世半导体@@）的@@一系列@@188足彩外围@@app ，汽车@@ OEM 可利用这些@@188足彩外围@@app 确保车辆网@@络在@@发生@@ ESD 事件时@@得到全面保护@@@@。

汽车@@以太网@@@@标准@@@@

2016 年@@，开放技术联盟@@（One Pair Ethernet Network，OPEN）委员会开发了@@ 100BASE-T1 和@@ 1000BASE-T1 汽车@@以太网@@@@（随后由@@ IEEE 标准@@化@@），主要满足汽车@@应用与电磁干扰@@(EMI)和@@兼容性@@(EMC)相关的@@特定要求@@。2020 年@@开发的@@@@ 10BASE-T1S 可实现短距离多点网@@络拓扑@@，这一特性使其非常适合支持车辆区域架构@@。目前正在@@开发汽车@@以太网@@@@的@@千兆级版本@@(MGBASE-T1)。表@@1列出了每种标准@@的@@规格@@。

表@@1：汽车@@以太网@@@@标准@@@@

保护@@汽车@@以太网@@@@网@@络@@

与计算设施中部署的@@以太网@@版本不同@@，100BASE-T1 和@@ 1000BASE-T1 汽车@@以太网@@@@标准@@@@使用单一非屏蔽双绞线@@(UTP)连接物理层接口@@(PHY)，如图@@@@1所示@@。UTP 电缆体积更小@@、重量更轻@@、成本更低@@且易于使用@@，这些都是@@汽车@@@@ OEM 的@@关键要求@@，但其结构却给@@ EMI 防护带来@@了额外的@@挑战@@。

图@@1：汽车@@以太网@@@@使用单一非屏蔽双绞线@@

在@@现代汽车@@中@@，数百米长的@@电缆连接着多个管理各种功能的@@电子控制单元@@(ECU)。电缆通常捆绑在@@一起形成线束@@，这就大大增加了出现@@ EMI 相关问题的@@可能性@@。在@@最坏的@@情况下@@，UTP 电缆中的@@@@ EMI 电压振幅可高达@@ 100 V，因此以太网@@网@@络必须足够稳定@@，能够承受这些峰值@@。开放技术联盟@@为汽车@@以太网@@@@网@@络中的@@每个节点指定的@@保护@@电路如图@@@@@@ 2 所示@@。这包括一个共模扼流圈@@(CMC)，用于过滤可能耦合到电缆上的@@不必要的@@共模噪声@@，同时@@还有助于防止潜在@@的@@@@ ESD 破坏性影响@@。

图@@2：开放技术联盟@@指定的@@汽车@@以太网@@@@保护@@电路@@

ESD 保护@@器件@@的@@关键要求@@是@@在@@低@@于@@ 100 V 的@@电压下不应激活@@，同时@@为@@ 24 V 工作电压提供至少@@ 15kV 的@@ ESD 保护@@（至少耐受@@1000次放电@@）。开放技术联盟@@还建议@@ OEM 执行一系列附加测试@@，虽然这些测试对于@@ 100BASE-T1 和@@ 1000BASE-T1 大体相似@@，但它们的@@通过标准@@不同@@。其中@@两项测试旨在@@测量@@ ESD 保护@@器件@@对信号完整性@@(SI)的@@影响@@，并测量插入损耗@@@@(IL)、回波损耗@@@@(RL)和@@共模抑制比@@(CMMR)。ESD 放电电流测试可量化@@ ESD 事件期间流入@@ PHY 的@@电流@@，而@@射频钳位测试则旨在@@确保节点具有高达@@ 100 V 的@@电磁兼容性@@。

在@@实际的@@汽车@@以太网@@@@部署中@@，ESD 保护@@的@@位置和@@布局至关重要@@。如图@@@@3中的@@场扫描图@@所示@@@@，该位置应位于连接器处@@，以确保@@ ESD 脉冲在@@连接器处直@@接被钳位接地@@，从而@@为包括@@ CMC 和@@ PHY 在@@内的@@所有网@@络电路提供最大保护@@@@。

图@@3 ESD 事件的@@影响@@取决于@@ ESD 电路的@@布局@@

在@@脉冲条件下@@@@，CMC 可减少对@@ PHY 的@@ ESD 应力@@。当瞬态脉冲击中@@ CMC 时@@，它会阻断电流一段时@@间@@，时@@间长短取决于脉冲的@@电压电平@@，电压越高@@，阻断阶段越短@@。阻断阶段之后是@@饱和@@阶段@@，在@@这个阶段@@，CMC 的@@行为就像电感进入饱和@@状态@@。一旦达到饱和@@@@，它就开始传导电流@@，CMC 两端的@@电压开始下降@@。ESD 器件的@@封装@@布线应始终保持平直@@@@，避免出现任何接点或弯曲@@，差分信号的@@布线应穿过@@ ESD 器件的@@焊盘@@。出于信号完整性的@@考虑@@，应避免出现接点@@，差分线路的@@阻抗应为@@ 100 Ω。为此@@，必须将线路分开@@。图@@4显示了@@ Nexperia 针对不同封装@@类型推荐的@@布线选项@@。

图@@4：SOT23 和@@ DFN 封装@@ ESD 保护@@器件@@的@@布线选项@@

Nexperia为汽车@@以太网@@@@提供全面的@@@@ESD保护@@器件@@系列@@

Nexperia（安世半导体@@）为汽车@@以太网@@@@网@@络提供多种@@ ESD 保护@@器件@@（表@@2）。PESD2ETH 系列器件完全符合开放技术联盟@@@@ 100BASE-T1 标准@@，采用小型@@ SOT23 表@@面贴装塑料封装@@@@，旨在@@保护@@两条车载网@@络总线线路免受@@ ESD 和@@其他瞬态事件的@@损坏@@。PESD2ETH1G 器件符合开放技术联盟@@@@ IEEE 100BASE-T1 和@@ 1000BASE-T1 标准@@，采用小型@@ DFN1006BD-2 (SOD882BD)表@@面贴装塑料封装@@@@。

表@@2：来@@自@@@@ Nexperia 的@@ 100BASE-T1 和@@ 1000BASE-T1 ESD 保护@@器件@@

Nexperia 还提供表@@@@3所示@@的@@符合开放技术联盟@@@@ 10BASE-T1S 标准@@的@@高稳健性器件@@。它们的@@触发电压@@(Vt)超过@@ 100 V，器件电容较低@@@@(< 0.5 pF)，因此数据传输流畅@@，信号完整性出色@@。对于双线封装@@@@，它们的@@电容匹配规范为@@ 2%（最大值@@）。

表@@3：来@@ 自@@Nexperia 的@@ 10BASE-T1S ESD 保护@@器件@@

结论@@

本文讨论了汽车@@以太网@@@@网@@络的@@保护@@要求@@，并介绍了有助于提高@@ ESD 和@@ EMI 稳定性的@@电路板布局选项@@。无论是@@实施@@ 100BASE-T、1000BASE-T 还是@@@@ 10BASE-T1S，汽车@@ OEM 都可以依靠@@ Nexperia 为其车载网@@络提供所需规格和@@外形尺寸@@的@@保护@@器件@@@@。

关于作者@@@@：Andreas Hardock

Andreas Hardock 拥有汉堡技术大学的@@博士学位@@，专攻信号完整性领域@@。自@@ 2015 年@@以来@@@@，Andreas 一直@@在@@@@ BHTC 和@@ Continental 负责汽车@@行业的@@工作@@，主要侧重@@ ESD 和@@ EMC 主题@@。2020 年@@，他加入@@ Nexperia，专注于汽车@@高速应用中的@@@@ ESD .

本文转载自@@@@：安世半导体@@

安世半导体@@IGBT模块赋能马达驱动@@应用@@

judy — Fri, 20 Oct 2023 02:39:05 +0000

作者@@：

张姗姗@@ IGBT产品@@市场经理@@

Jinsheng Song IGBT产品@@市场总监@@

近年@@来@@@@，我国年@@工业@@生产总值不断提高@@，但能耗比却居高不下@@，高能耗比已成为制约我国经济发展的@@瓶颈@@，为此@@国家投入大量资金支持节能降耗@@项目@@，变频调速技术已越来@@越广泛的@@应用在@@各行各业@@，它不仅可以改善工艺@@，延长设备使用寿命@@，提高工作效率等@@，最重要的@@是@@它可以@@“节能降耗@@”，这一点已被广大用户所认可@@，且深受关注@@。预计未来@@几年@@@@，具有高效@@节能功效的@@变频器@@市场将受政策驱动持续增长@@。

自@@推出以来@@@@，绝缘栅双极晶体管@@（IGBT）由于其高电压@@、大电流@@、低@@损耗@@等优势@@特点@@，被广泛应用于马达驱动@@@@，光伏@@，UPS，储能@@，汽车@@ 等领域@@。随着全球对可再生能源的@@日益关注以及对效率的@@需求@@，高效@@率@@，高可靠性成为功率@@电子产业不断前行的@@关键@@。Nexperia（安世半导体@@）的@@ IGBT 产品@@系列优化了开关损耗@@@@和@@导通损耗@@@@, 兼顾马达驱动@@需求的@@高温@@短路耐受能力@@@@，实现更高的@@电流@@密度和@@系统可靠性@@。

变频器@@

变频器@@由于@@“节能降耗@@”等优势@@，广泛的@@使用在@@电机驱动的@@各个领域@@。让我们先来@@走进变频器@@@@，看看变频器@@的@@典型电路@@。

“交@@—直@@—交@@”电路是@@典型的@@变频器@@拓扑电路@@，基于该拓扑结构的@@变频器@@主要由整流@@（交@@流变直@@流@@）、滤波@@、逆变@@（直@@流变交@@流@@）、制动单元@@、驱动单元@@、检测单元@@、微处理单元等组成@@。变频器@@靠@@ IGBT 的@@开关来@@调整输出电源的@@电压和@@频率@@，根据电机的@@实际需要@@，来@@提供其所需要的@@电源电压@@，进而@@达到节能@@、调速的@@目的@@@@。另外@@，变频器@@还有很多的@@保护@@功能@@，如过流@@、过压@@、过载保护@@等等@@。随着工业@@自@@动化程度的@@不断提高@@，变频器@@广泛的@@应用在@@纺织@@，港口@@，化工@@，石油@@，工程机械@@，物流等各类应用场景@@。

图@@1 典型的@@马达驱动@@变频器@@的@@应用框图@@@@

变频节能@@

传统用工频@@（50Hz）电源直@@接驱动时@@的@@风量或水量调节方式落后@@。风机@@、泵类调节大部分仍采用阀门机械节流方式@@（调节入口或出口的@@挡板@@、阀门开度等降低@@风量或水量@@）。由于电机以恒定速度运行@@，因此即使降低@@风量和@@水量@@，耗电量也几乎不会下降@@，且大量的@@能源消耗在@@挡板@@、阀门的@@截流过程中@@。容易产生能源的@@浪费@@。

风机@@、泵类当使用变频调速时@@@@，如果流量@@要求减小@@，通过降低@@泵或风机@@的@@转速即可满足要求@@。随着转速的@@降低@@@@，所需转矩以平方的@@比例下降@@。输出的@@功率@@也就成立方关系下降@@。即可以实现大规模的@@降低@@输出功率@@@@，降低@@耗电量@@。

风扇@@、风机@@、泵为代表@@的@@降转矩负载来@@说@@，随着转速的@@降低@@@@，所需转矩以平方的@@比例下降@@。而@@根据流体力学@@，功率@@=压力@@×流量@@，流量@@和@@转速的@@一次方是@@成正比的@@@@，压力@@与转速的@@平方是@@成正比的@@@@，功率@@和@@转速的@@立方成正比@@，如果说水泵效率固定的@@话@@，当调节流量@@下降时@@@@，转速就会成比例下降@@，输出的@@功率@@也就成立方关系下降@@，所以说@@，水泵的@@转速与电机耗电功率@@是@@近似立方比关系@@。

马达驱动@@的@@短路能力@@@@

工业@@环境中的@@短路工业@@电机驱动器的@@工作环境相对恶劣@@，可能出现高温@@@@、交@@流线路瞬变@@、机械过载@@、接线错误以及其它突发情况@@。其中@@有些事件可能会导致较大的@@电流@@流入电机驱动器的@@功率@@电路中@@。

图@@2 IGBT 典型的@@短路情况@@

图@@2显示了@@三种典型的@@短路事件@@。它们是@@@@：

1. 逆变@@器直@@通@@。这可能是@@由于不正确开启其中@@一条逆变@@器桥臂的@@两个@@IGBT所导致的@@@@，而@@这种情况有可能是@@因为遭受了电磁干扰或控制器故障@@，也可能是@@因为臂上的@@其中@@一个@@ IGBT 故障导致的@@@@。

2. 相对相短路@@。这可能是@@因为性能下降@@、温度过高或过压@@事件@@ 导致电机绕组之间发生绝缘击穿所引起的@@@@。

3. 相线对地短路@@。这同样可能是@@因为性能下降@@、温度过高或过压@@事件@@导致电机绕组和@@电机外壳之间发生绝缘击穿所引起的@@@@。

一般而@@言@@，电机可在@@相对较长的@@时@@间内@@（如毫秒到秒@@，具体取决于@@ 电机尺寸@@和@@类型@@）吸收极高的@@电流@@@@，这对于应用在@@马达驱动@@上的@@@@ IGBT 提出了高温@@短路耐受能力@@的@@要求@@。

IGBT 在@@极限工况需要满足短路耐受的@@能力@@，Nexperia 的@@IGBT模块可实现高温@@@@150°C 10us 的@@短路能力@@。如图@@@@3 IGBT 开关损耗@@@@、通态压降和@@可靠性的@@三者的@@折中关系@@。Nexperia 的@@ IGBT 采用沟槽栅场终止技术@@，针对马达驱动@@的@@应用优化了@@ Vcesat 导通损耗@@和@@开关损耗@@@@的@@性能@@，同时@@满足高温@@@@150°C 10us 的@@短路能力@@。

图@@3 IGBT 开关损耗@@@@、通态压降和@@可靠性的@@三者关系@@

IGBT模块的@@静态特性@@和@@动态性能对比@@@@

导通损耗@@是@@整体损耗@@的@@重要组成部分@@，我们选取了在@@市场上广泛应用的@@不同厂商@@ABCD产品@@作为对照@@，在@@同样的@@条件如高温@@@@150°C，VGE=15V 时@@，从图@@@@4的@@对比@@@@，我们可以读出在@@额定电流@@@@@@100A条件下@@，竞品@@A,B,C,D的@@ Vcesat的@@饱和@@压降@@分别为@@@@2.49V, 2.41V, 2.52V, 3V。红色的@@是@@安世@@ IGBT 产品@@NP100T12P2T3的@@饱和@@压降@@，Vcesat 仅为@@2.27V，在@@高温@@下@@，和@@竞品@@@@ABCD相比@@，Vcesat 分别降低@@了@@10%，6%，11%，32%。极大的@@降低@@@@ IGBT 的@@静态损耗@@@@。Nexperia 的@@ IGBT模块表@@现出了优异的@@低@@@@ Vcesat 饱和@@压降的@@特性@@。

图@@4 IGBT模块在@@@@ 150°C 的@@ 静态特性@@（Ic-Vcesat )

IGBT模块的@@动态性能对比@@@@

同样马达驱动@@的@@应用中对开关损耗@@@@尤为关注@@，我们选取了在@@市场上广泛应用的@@不同厂商@@ ABCD 产品@@作为对照@@，对比@@Nexperia IGBT 产品@@ NP100T12P2T3 在@@不同电流下的@@开通损耗@@和@@关断损耗@@的@@和@@值@@ Etot ( Eon+Eoff)，如图@@@@ 5所示@@ 在@@ 结温@@150°C 的@@对比@@@@，红色的@@曲线是@@安世@@ IGBT 产品@@ NP100T12P2T3，在@@额定电流@@@@100A的@@条件下@@@@，竞品@@ A，B，C，D，开关损耗@@@@和@@值@@ Etot 分别为@@25.84mJ，24.52mJ，24.33mJ，29.19mJ，而@@Nexperia产品@@的@@开关损耗@@@@和@@值@@@@ Etot 仅为@@23.64mJ。在@@高温@@下@@，和@@竞品@@@@ABCD相比@@，开关损耗@@@@和@@值@@ Etot 分别降低@@了@@9%，4%，3%，23%，极大地降低@@@@ IGBT 在@@高开关频率下的@@功率@@损耗@@@@。

图@@ 5 IGBT模块在@@@@ 150°C 的@@ 开关特性@@（Eon+Eoff）

IGBT的@@折中曲线@@

图@@6是@@在@@常温@@25°C 和@@高温@@@@150°C 时@@的@@开关损耗@@@@@@Etot和@@导通压降@@ Vcesat 的@@折中关系对比@@@@。IGBT工作在@@大电流@@高电压@@，高温@@150°C的@@折中曲线@@备受客户的@@关注@@。如图@@@@6所示@@，横坐标代表@@的@@是@@导通压降@@ Vcesat ，纵坐标代表@@的@@是@@开关损耗@@@@@@ Etot 越接近原点@@，意外着损耗@@越低@@@@，可以看出@@，Nexperia IGBT产品@@的@@开关损耗@@@@和@@饱和@@压降都明显小于竞品@@@@ ABCD 。

图@@ 6 IGBT模块在@@@@25°C 和@@ 150°C 的@@折中曲线@@（ Vcesat-Etot ）

马达驱动@@的@@损耗@@计算@@

为了更接近客户的@@实际的@@应用情况@@，如图@@@@7是@@IGBT模块在@@@@典型的@@马达驱动@@的@@损耗@@对比@@@@，其中@@ Vcesat ， VF的@@数据来@@源于同一测试平台下的@@实测数据@@，开关损耗@@@@ Eon+Eoff 是@@基于同一双脉冲测试平台在@@高温@@@@150°C 额定电流@@ 100A 的@@条件下@@@@的@@测试数据@@，仿真模拟的@@是@@工业@@马达连续运行的@@工况@@，系统工作于母线电压@@Vdc=600V，有效值电流@@ Irms=50A ，门级电阻@@Rgate=1.5Ω，载波频率@@ fsw=10KHz，调制比@@ m=0.8, 电机功率@@因数@@ cosφ=0.8，输出频率@@fout=50Hz。

仿真损耗@@的@@计算结果如下@@，在@@典型变频器@@驱动器应用条件下@@@@，Nexperia NP100T12P2T3 的@@ IGBT 产品@@, 其开关损耗@@@@和@@导通损耗@@均小于竞品@@@@ ABCD ，总功率@@损耗@@降低@@@@5%~24%。Nexperia 的@@ IGBT 产品@@整体降低@@了功率@@损耗@@@@，提升了变频器@@的@@系统效率@@。

图@@ 7 IGBT 模块在@@@@典型的@@马达驱动@@应用条件的@@@@ Ploss 损耗@@

热仿真@@

从热仿真@@上可以直@@观的@@看到节温的@@分布@@，如图@@@@8所示@@。对比@@安世半导体@@和@@竞品@@@@@@ A 马达驱动@@应用做热仿真@@@@，Nexperia 的@@ IGBT 最高节温@@ Tjmax 会是@@@@116°C, 竞品@@的@@最高节温@@@@ Tjmax 是@@119°C，比竞品@@@@ A 低@@3°C。

图@@8 马达驱动@@应用中热仿真@@@@

布局设计@@

产品@@的@@布局设计@@也非常关键@@，通过精巧的@@布局设计@@与仿真对比@@@@，增加布线宽度@@，减小换流路径长度@@，增加换流路径重合度及磁场相消@@，来@@达到最大程度的@@降低@@寄生电感的@@目的@@@@。

在@@ IGBT 关断的@@过程中@@，IGBT 的@@电流@@下降产生较大的@@@@ di/dt, 由于回路中存在@@杂散电感@@，在@@IGBT 的@@上叠加反向电动势@@，delta V=L*di/dt。产生较大的@@电压尖峰@@，由于优化了线路中的@@杂散电感@@，从而@@最终使得关断时@@的@@电压尖峰尽可能小@@。减少关断时@@候时@@的@@电压过冲@@。

小结@@

基于前面的@@讨论@@，安世半导体@@的@@@@ IGBT 模块优化了开通损耗@@和@@导通损耗@@@@，同时@@兼顾高温@@下的@@短路能力@@@@，实现更高电流密度和@@更好的@@可靠性@@，降低@@了整体的@@损耗@@且提高了系统的@@效率@@。同时@@设计通过精巧的@@布局@@，增加减小换流路径长度@@@@，增加换流路径重合度及磁场相消@@，来@@达到最大程度的@@降低@@寄生电感的@@目的@@@@，模块的@@最高工作运行节温达到@@150°C ，满足马达驱动@@的@@高温@@@@150°C 短路耐受能力@@。

Nexperia (安世半导体@@)

Nexperia（安世半导体@@）总部位于荷兰@@，是@@一家在@@欧洲拥有丰富悠久发展历史的@@全球性半导体公司@@，目前在@@欧洲@@、亚洲和@@美国共有@@15,000多名员工@@。作为基础半导体器件开发和@@生产的@@领跑者@@，Nexperia（安世半导体@@）的@@器件被广泛应用于汽车@@@@、工业@@、移动和@@消费等多个应用领域@@，几乎为世界上所有电子设计的@@基本功能提供支持@@。

Nexperia（安世半导体@@）为全球客户提供服务@@，每年@@的@@产品@@出货量超过@@@@1,000亿件@@。这些产品@@在@@效率@@（如工艺@@、尺寸@@、功率@@及性能@@）方面成为行业基准@@，获得广泛认可@@。Nexperia（安世半导体@@）拥有丰富的@@@@IP产品@@组合和@@持续扩充的@@产品@@范围@@，并获得了@@IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001和@@ISO 45001标准@@认证@@，充分体现了公司对于创新@@、高效@@、可持续发展和@@满足行业严苛要求的@@坚定承诺@@。