總成架構的演變——失敗的42V電池總成與成功的48V電源總線(xiàn)

　　48V興起

　　大約10年之后的現在，我們又聚焦在OEM和系統供應商所探討過(guò)的——提高總成電壓的這個(gè)點(diǎn)上?，F在正在討論48V的電源總線(xiàn)，并且接近這個(gè)目標，通過(guò)降低電流等級和提升電壓，更高效的支持那些最需功率的應用和系統。那么，為什么在42V架構失敗的10年之后，我們又突然寄希望于48V概念的成功呢?是什么改變了上述為42V汽車(chē)所描繪的情形呢?

　　事實(shí)上，48V概念與我們在2000年初所討論的42V的活動(dòng)有著(zhù)幾項明顯的差異。最大的差異是42V概念是基于對14V系統的革命性取代。它差不多算是采用更高壓的系統，省去了12V的電池和相應的14V電源總成。48V的概念表明，現在可以考慮一個(gè)更具革命性的步驟，可以考慮新增而非取代。當然，48V的成功將需要嚴格遵循引進(jìn)和執行的方式。但是確定的是，汽車(chē)OEM已經(jīng)接受了昂貴的42V嘗試的教訓。因此，48V電壓被視為第二條電源線(xiàn)，同時(shí)保留著(zhù)與48V并聯(lián)的12V電池和相應的14V電源總成。48V電源總線(xiàn)應該僅支持一部分應用，因此，要在更高的功率級上得以應用，需要做出很大努力，例如利用逆變器變速驅動(dòng)，提高電機的效率來(lái)使整個(gè)汽車(chē)油耗提升并降低排量。同時(shí)，所有其它應用和系統僅停留在14V總線(xiàn)上，從而可以允許對于現有高性?xún)r(jià)比產(chǎn)品的繼續使用，而這些產(chǎn)品此前是為14V產(chǎn)品建立和設計的，基本上不會(huì )受到48V要求的任何影響。與把汽車(chē)中所有的元件都用更高電壓總線(xiàn)的產(chǎn)品取代相比，這已經(jīng)實(shí)現了最大的成本節約。48V概念增加了一個(gè)電源總線(xiàn)，它通過(guò)來(lái)源于12V鉛酸電池的降壓/升壓DC-DC轉換器來(lái)生成。至少在初始階段，我們并沒(méi)有去深入調查48V電池，然而，在后面的第二步中，48V的鋰電池將是非常有益于能量存儲，電源元件與標準的12V電池共存。同時(shí)，48V的電壓是能夠保持60V闕值電壓以下的足夠低的電壓，這是隔離要求的安全限度。超出這一限度，則需要推出安全措施以保護人們避免在遭遇致命事故時(shí)觸及到車(chē)內的電路。

　　另外一個(gè)成功因素是在雙總成電壓方面、尤其是在車(chē)載高壓應用方面，OEM已經(jīng)積累了相當多的經(jīng)驗。在汽車(chē)中，多重或更高壓的架構不再遙不可及，但同時(shí)，在基于總線(xiàn)架構的領(lǐng)域中已經(jīng)建立起完善的解決方案。如圖3所示，我們的現代汽車(chē)架構目前已經(jīng)可以適用于許多更高壓的領(lǐng)域，例如HID照明、高壓壓電陶瓷燃油直噴(Piezo-direct fuel Injection)，多種混合動(dòng)力汽車(chē)(HEV)系統類(lèi)似啟-停DC-DC轉換器穩定甚至數百伏HEV動(dòng)力傳動(dòng)系統。所有這些概念都有一個(gè)12V電池，或更高電壓總線(xiàn)共存的14V總線(xiàn)，二者相互之間很好的隔離開(kāi)來(lái)，并且為車(chē)內不同的高壓或電壓區域供電。

　　第三個(gè)成功因素是48V使能系統的顯著(zhù)價(jià)值，比10年前所討論的42V系統所帶給客戶(hù)的優(yōu)勢更加顯而易見(jiàn)。僅以啟-停功能為例，在城市交通擁堵時(shí)，即可實(shí)現15%-20%的節油，與之前設立的42V目標值產(chǎn)品相比，對車(chē)主而言在節油方面有著(zhù)更大的影響。而且，發(fā)動(dòng)機在等待交通燈時(shí)可以完全關(guān)閉，利用電傳系統驅動(dòng)，以保證在發(fā)動(dòng)機停止狀態(tài)下一些重要系統(如制冷系統、空調系統、加熱器等)仍然繼續運行。所以，實(shí)際上，駕駛員既可體會(huì )到48V系統的燃油消耗優(yōu)勢 及汽車(chē)駕駛性能優(yōu)勢。

　　最為重要的一點(diǎn)，所有的環(huán)保法規和車(chē)船消耗規定都迫使采用這些功能，盡管需要一些附加成本，但是與收效甚微的高壓系統或采用數百伏電壓的全HEV相比，這些成本是微不足道的。所以，整體上講，實(shí)際上48V電源的前景非?？捎^(guān)，它是可支持我們現代環(huán)保型汽車(chē)的極具優(yōu)勢的可用產(chǎn)品。

　　IR的解決方案

　　然而，從元件和半導體兩方面而方，仍然意味著(zhù)要對汽車(chē)產(chǎn)品和器件進(jìn)行相當多的投資，以保留更高的總成電壓。特別是，在電源管理方面，開(kāi)發(fā)合乎48V汽車(chē)架構的MOSFET至關(guān)重要，也就是說(shuō)，高效的75V、以及甚至可能的100V-150V MOSFET也將成為48V系統架構的重要成功部分。如圖2所示(IR的100V功率MOSFET性能表)，過(guò)去20年里，半導體器件的傳導和開(kāi)關(guān)損耗已經(jīng)得到了具大的提升，我們目前仍在不斷前進(jìn)的道路上，以實(shí)現更好的硅MOSFET。我們目前的幾代產(chǎn)品，甚至將推出更多的MOSFET平臺，都將通過(guò)適當的電源管理器件，支持OEM和Tier1，這些器件是面向電機應用，實(shí)現更高效能量轉換和低能耗逆變器所需要。正如我們在圖1中所描述的我們的專(zhuān)利型GaN硅片開(kāi)關(guān)發(fā)展路線(xiàn)圖，適用于在最低損耗下的高速能量轉換，從而又增加了新的革命性的提升，并且超越了最新的硅片器件。

　　談到能量轉換，12V電池/48V電壓將重點(diǎn)強調雙總成架構在這兩網(wǎng)之間的高效和低損耗雙向轉換。這尤其會(huì )推動(dòng)12V←→48V降升壓轉換器、12V總線(xiàn)穩定器以及可能的多相轉換器需求的增長(cháng)，如圖4所示，采用IR公司DC-DC發(fā)展路線(xiàn)圖、適用于48V應用的產(chǎn)品。最高效率是關(guān)鍵，因此，IR公司目前致力于開(kāi)發(fā)領(lǐng)先的性能，使開(kāi)關(guān)(如圖2所示，及在長(cháng)期的超基準型GaN器件中)將能夠以最高效率將能量轉換器最少化。然而，能量轉換不僅僅是采用HVIC所驅動(dòng)的低損耗MOSFET的高效模擬功率級的問(wèn)題。數字電源管理是取得成功的另外一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。在計算機領(lǐng)域，它已經(jīng)成功的實(shí)現了應用，目的是利用諸如IR公司專(zhuān)利型、基于CHIL的數字電源管理器實(shí)現的高效多相DC-DC轉換。數字電源轉換的“魔力”及其強大的潛能將通過(guò)IR的專(zhuān)利功率級AU-ConvertiR，并結合我們目前正在開(kāi)發(fā)的ControlliR產(chǎn)品傳遞到汽車(chē)市場(chǎng)。明年，我們很快將會(huì )發(fā)布一些這方面強大產(chǎn)品性能細節。

　　我們堅信，IR公司基于CHIL的數字控制器戰略與我們的多相轉換器方法(圖4概括出其結構)相結合將實(shí)現并支持現代汽車(chē)中更高壓總線(xiàn)的成功和總成應用。48V不僅可以讓汽車(chē)更高效，而且還確定是最具前景、最簡(jiǎn)潔且最具革命性的方法，對于那些仍然更愿意采用固態(tài)內燃發(fā)動(dòng)機，但又注重環(huán)保效率的駕駛員而言，這將會(huì )提供極具競爭力的產(chǎn)品……至少這一優(yōu)勢可以保留至電動(dòng)汽車(chē)成為大眾負擔得起的更大市場(chǎng)那日為止。