汽車(chē)系統中的功率電子技術(shù)

一、導言　

汽車(chē)中使用電子產(chǎn)品可以追溯到使用電動(dòng)啟動(dòng)器替代手動(dòng)曲柄的20世紀初。上世紀60年代，隨著(zhù)固體電子產(chǎn)品的出現，汽車(chē)電子開(kāi)始盛行起來(lái)?，F今存在著(zhù)幾種推動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)對電子產(chǎn)品的需求，尤其是功率半導體器件需求的趨勢。它們是：

（1）對于乘客舒適性和便利性功能的顯著(zhù)需求，如座椅加熱和座椅制冷、自動(dòng)座椅定位、高級照明以及多區暖通空調(HVAC)。這些系統應用都需要更大的功率和更多的功率管理。飛兆半導體的集成高側開(kāi)關(guān)等產(chǎn)品具有高效控制和管理上述功率負載的功能。

（2）先進(jìn)的動(dòng)力傳動(dòng)系控制系統提高了燃油經(jīng)濟性，減少了車(chē)輛排放。這些系統必須更精確地控制燃燒過(guò)程，連續不斷地提供狀態(tài)檢查，同時(shí)在系統需要正常運作所必需的功率和模擬控制功能。飛兆半導體的40V和60V PowerTrench MOSFET器件、高側開(kāi)關(guān)以及智能點(diǎn)火產(chǎn)品能夠滿(mǎn)足這些要求。

（3）電動(dòng)助力轉向等成熟的輔助系統正在越來(lái)越多地從機械式轉向電子式。隨著(zhù)發(fā)展，這些系統要求更大的電流密度和更低的功率消耗。飛兆半導體的30/40V MOSFET和汽車(chē)功率模塊(APM)技術(shù)是提供這些應用所需的高效率和高功率密度解決方案的基礎。

（4）電動(dòng)和混合電動(dòng)推進(jìn)系統等替代動(dòng)力傳動(dòng)系技術(shù)需要顯著(zhù)增加汽車(chē)的功率處理能力，需要能夠處理1kW~40kW的DC/DC轉換器等新型汽車(chē)電子產(chǎn)品。根據車(chē)輛的結構，需要使用集成化混合動(dòng)力總成(Integrated Starter Generator, ISG)和牽引馬達逆變器來(lái)處理5kW~120kW或更高功率。飛兆半導體的PowerTrench MOSFET、場(chǎng)截止IGBT、智能開(kāi)關(guān)和柵極驅動(dòng)器等通過(guò)了汽車(chē)產(chǎn)品認證的功率電子產(chǎn)品，采用分立或先進(jìn)模塊形式提供，為這些先進(jìn)系統提供了高成本效益解決方案。

二、使用飛兆半導體智能功率和功率技術(shù)的系統　

1、 汽車(chē)照明　

為了處理系統性和隨機性故障，使用分立MOSFET、智能MOSFET功率開(kāi)關(guān)以及IGBT等電子器件來(lái)替代機械式開(kāi)關(guān)和繼電器，用于控制車(chē)燈、柴油車(chē)預熱塞系統、點(diǎn)火系統以及馬達。智能功率器件(SPD)可以在消除機械噪聲和燃弧的同時(shí)提高質(zhì)量和可靠性。

圖1所示的智能功率器件是一款N溝道功率場(chǎng)效應管(FET)，具有一個(gè)內部電源、電流受控輸入、帶負載電流感測的診斷反饋功能以及嵌入式保護功能。使用chip-on-chip和chip-by-chip技術(shù)集成功率級、控制、驅動(dòng)以及保護電路。

圖1，智能MOSFET結構圖。

SPD的主要目標是替代汽車(chē)繼電器和熔斷器。智能開(kāi)關(guān)能夠將開(kāi)關(guān)和保護功能結合在單一芯片中。因此，從總體成本角度看，SPD可以提供較繼電器和熔斷器更便宜的解決方案。除了保護功能外，SPD具有減少線(xiàn)束，加入診斷功能和實(shí)現脈寬調制的更多優(yōu)勢，所以，SPD不僅能夠保護自身，還能保護與其相連的負載和鄰近器件?？梢允褂脦в幸恍┩獠吭膽秒娐?，依照應用系統正確地運作系統。

2、分立式功率器件(DC-DC轉換器)　

目前，最重要的環(huán)境問(wèn)題之一就是作為運輸主要能源之一的碳氫化合物燃燒所產(chǎn)生的污染?；旌蟿?dòng)力車(chē)(HEV)和電動(dòng)車(chē)(EV)正逐漸成為“綠色”運輸的替代動(dòng)力傳動(dòng)系統。這些車(chē)輛不僅涉及牽引部件，而且推動(dòng)了電能轉換方面的新應用?；旌蟿?dòng)力車(chē)輛內的一種關(guān)鍵模塊便是用于電氣負載輔助電源的DC/DC轉換器，因為HEV和EV仍然使用頭/尾燈、加熱風(fēng)扇以及音頻系統等輔助負載。該轉換器必須具有處理從高電壓轉換至12V電壓的能力，如圖2所示。

圖2，HEV/EV電氣負載需要能量轉換。

因此，應用工程師們將注意力集中在HEV和HE系統中的MOSFET和IGBT等高電壓功率器件上。有幾種控制從高電壓到低電壓的能量轉換方法。通常使用高電壓和低電壓之間隔離的全橋和移相技術(shù)，這類(lèi)應用中的輔助功率轉換器代表著(zhù)電池組對高壓直流總線(xiàn)的高效管理，根據電動(dòng)馬達的功率不同，范圍在200V~800V之間。

此外，系統的效率是一個(gè)關(guān)鍵特性，并且是設計選擇的重要參數。轉換器的設計趨勢是在寬負載條件范圍內達到90%或者更高的效率。

轉換器的可靠性是至關(guān)重要的，因為故障會(huì )引起12V電池的泄放，從而造成所有靠電池電力驅動(dòng)的附件的故障。另一方面，不能忽略效率和電磁兼容(EMC)問(wèn)題。因此，有源箝位等軟開(kāi)關(guān)和能量回收技術(shù)非常有益。

3、汽車(chē)功率模塊(APM)　

高壓(600 VDC)和低壓(12-24VDC)系統都可以使用APM。飛兆半導體向汽車(chē)市場(chǎng)提供用于高壓和低壓系統的APM器件，它們幾乎都用來(lái)驅動(dòng)三相馬達和制動(dòng)器。兩種電壓范圍的APM都采用直接鍵合銅(DBC)技術(shù)來(lái)實(shí)現熱傳導。

低壓(LV)意味著(zhù)以更大的電流來(lái)驅動(dòng)通常與該類(lèi)型解決方案相關(guān)聯(lián)的較大負載。低壓應用使用30V~60V N溝道MOSFET。電動(dòng)助力轉向和電驅動(dòng)液壓混合轉向是兩種最普遍的LV-APM解決方案。峰值相位電流能夠達到100A以上。這需要大的銅質(zhì)內部結構，用于芯片焊盤(pán)(die paddle)和電流通路以及多個(gè)大電流粘合引線(xiàn)。正溫度系數(PTC)器件、無(wú)源EMC元件、分流器都達到了更高的集成度并提高了可靠性。電動(dòng)助力轉向中使用APM是實(shí)現機電一體化封裝和低系統成本的關(guān)鍵。在靜態(tài)停車(chē)時(shí)，相比液壓系統，降低寄生引擎負載可以減小車(chē)輛引擎的尺寸，從而更小型車(chē)輛。低壓模塊用于EV/HEV車(chē)輛，也用在傳統的內燃式引擎汽車(chē)上。

高壓應用主要包括由高母線(xiàn)電壓或主電池組供電的泵和風(fēng)扇。典型的峰值相位電流20A。這一市場(chǎng)中的模塊化解決方案類(lèi)似于許多工業(yè)市場(chǎng)中的應用，并使用類(lèi)似的功率模塊，IGBT和MOSFET解決方案均可使用。典型的模塊有高壓柵極驅動(dòng)器，以及在共橋回路處用于診斷的某種電流水平感測。高壓結構必須考慮到引腳間隙要求。在熱管理方面，產(chǎn)品分為帶或不帶增強熱傳導的類(lèi)型。模塊化解決方案是小型集成解決方案的關(guān)鍵，功率處理器件位于制動(dòng)器附近，甚至工作于變速箱等極端環(huán)境中。高壓模塊幾乎都用于EV/HEV車(chē)輛中。

三、詳細的應用示例　

1、汽車(chē)前燈應用　

車(chē)前燈是汽車(chē)的最重要部件之一。車(chē)燈應用中電池的標稱(chēng)電壓是13.2V。但是，電池的電平隨著(zhù)駕駛條件而變化。高輸入電壓(13.2V ~ 16V)可能影響車(chē)前燈的耐用性。如圖3所示，電池電壓升高6%，車(chē)燈的使用壽命減少50%。

圖3，各種電壓下的車(chē)燈壽命曲線(xiàn)。

此處，車(chē)燈壽命為小時(shí)數。此外，在打開(kāi)車(chē)前燈時(shí)，大的涌入電流會(huì )縮短車(chē)燈的使用壽命，因為燈泡燈絲的熱阻低。

例如：55/60W燈泡在13.2V下的使用壽命是1，000小時(shí)。使用等式1：

14V下燈泡的壽命時(shí)間約為465小時(shí)，因而，將PWM控制用于帶有智能MOSFET的燈泡，可以延長(cháng)燈泡的使用壽命。為了延長(cháng)車(chē)前燈的使用壽命，在電池電壓高于標稱(chēng)電壓13.2V時(shí)，使用限制電流的方式來(lái)實(shí)現功率調節。使用PWM來(lái)控制輸入電壓。等式3使用占空比定義了RMS電壓：

此處，D——占空比，VBAT——電池電壓。

當電池電壓高于標稱(chēng)電壓時(shí)，如圖4所示，確定PWM占空比。

圖4，不同電壓下的穩定功率消耗。

此處：VNOM——標稱(chēng)電壓；VRMS ——RMS電壓；VBAT ——電池電壓；RLAMP ——燈泡電阻。

這種計算占空比的方法是采用PWM平方或者電壓的二次式（square PWM or quadratic voltage regulation）使用軟啟動(dòng)方式限制涌入電流。在一種測試應用中，使用PWM在100Hz頻率下實(shí)現功率調制。圖3顯示電壓處于標稱(chēng)電壓附近時(shí)功率沒(méi)有上升，從而保護了燈泡。