汽車(chē)系統中的功率電子技術(shù)

圖5，不受限與受限制的啟動(dòng)電流比較。

燈使用智能功率器件和PWM技術(shù)，實(shí)現以下功能：

（1）在安裝位置減小熔斷器和熔斷器座的尺寸；

（2）防止負載線(xiàn)出現過(guò)載或短路；

（3）減少電纜和連接器；

（4）改善燈的故障診斷，檢查它們的功率額定值是否正確；

（5）通過(guò)功率調整并使用PWM對燈進(jìn)行預熱，延長(cháng)使用壽命；

（6）通過(guò)激活其它具有所需亮度的可用燈，實(shí)現故障管理；

（7）通過(guò)優(yōu)化開(kāi)關(guān)邊緣和錯時(shí)開(kāi)關(guān)方式減小電磁輻射。

在車(chē)前燈開(kāi)啟的初時(shí)，由于燈泡燈絲的熱阻低，會(huì )出現大的涌入電流。為了減小涌入電流，可以使用智能功率器件來(lái)實(shí)現軟啟動(dòng)。圖5(a)所示為直流電源下燈泡的典型沖擊電流。峰值電流達到穩態(tài)電流的10~14倍，持續時(shí)間為數毫秒。在250ms~500ms后，啟動(dòng)過(guò)程結束。理論上，由于10倍左右的涌入電流縮短了燈泡的壽命。因此，軟啟動(dòng)過(guò)程應達到500ms，以延長(cháng)燈的壽命，如圖5(b)所示。

2、 用于DC-DC應用的高壓分立式解決方案　

在現今的HEV和EV中，高壓電池組為電氣牽引系統提供行駛所需的能量。普通的12V系統仍然存在，為平常的汽車(chē)負載(輔助電池為頭/尾燈、加熱風(fēng)扇以及音頻系統等所有電氣負載供電)提供能量，而高壓總線(xiàn)則為牽引逆變器和馬達供電。

如下所示，需要使用汽車(chē)DC-DC轉換器。建議DC/DC轉換器具有以下關(guān)鍵功能：

（1）一個(gè)輸入的低壓端標稱(chēng)電壓為12V，在充電和放電過(guò)程中在9V~16V之間變化。

（2）根據用戶(hù)情況，標稱(chēng)高側電壓可以從144V變化到288V或更高。

（3）標稱(chēng)充電和放電功率為1.5kW。

（4）開(kāi)關(guān)頻率可以從50kHz變到70kHz。

（5）由于安全原因，高壓端和低壓端之間應有電隔離。在這種情況下，使用高頻變壓器。

（6）工作溫度在-40°C~85°C之間。

（7）保證期為10年或者150，000km。

（8）輸出電流在80A~150A左右。

圖6所示為DC/DC轉換器示意圖。它由一個(gè)全橋Q1-Q4通過(guò)一個(gè)高頻變壓器與一個(gè)帶有升壓電感的推挽級連接而成。在升壓模式下，使用兩個(gè)PWM信號來(lái)控制器件Q5和Q6。

圖6，全橋同步DC/DC轉換器。

如圖7所示，有幾種實(shí)現DC/DC轉換的方法。全橋方法常常用來(lái)減小車(chē)輛的重量并提高效率。

圖7，DC/DC轉換器對比輸出功率。

在這種運作過(guò)程中，DC/DC轉換器作為一種降壓轉換器，將電壓從200V或者更高，降低至12V。原則上不能驅動(dòng)低壓端的開(kāi)關(guān)。它們的二極管僅作為電壓整流級。為了提高整流器的效率，必須用MOSFET替代二極管。

圖8，移相時(shí)序圖。

而在高壓端，移相調制能夠實(shí)現MOSFET的零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)，幾乎消除了開(kāi)關(guān)損耗。在移相調制中，具有相同引腳的兩個(gè)器件由兩個(gè)具有50%占空比和正確死區時(shí)間設置的互補信號驅動(dòng)。在兩個(gè)引腳之間，通過(guò)反饋環(huán)路將信號移相一個(gè)角度。該方法能夠實(shí)現均衡使用變壓器，防止鐵芯飽和。移相造成的交疊為降壓轉換器設定了占空比，以便調整輸出電壓。圖8為所描述的控制信號。

圖9，移相調制中的零電壓開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

圖9所示為如何通過(guò)正確設定驅動(dòng)全橋逆變器的兩個(gè)互補對的死區時(shí)間，讓MOSFET的導通發(fā)生在零電壓點(diǎn)。這是因為當先前處于導通狀態(tài)的MOSFET(例如圖11中的Q3)關(guān)斷時(shí)，由于死區時(shí)間的緣故，Q5仍然處于關(guān)斷，半橋的中點(diǎn)處于懸浮，并且開(kāi)始出現一種自然振蕩，這是由于在半橋的中點(diǎn)，變壓器的泄漏電感和寄生電容構成了諧振電路。

圖10，同步整流和移相調制。

這引發(fā)VDS4以固定頻率振蕩，通過(guò)正確設定死區時(shí)間，Q4可以在零電壓處導通。最后，為了進(jìn)一步提高轉換器效率，采用圖10所示的方式來(lái)控制Q5和Q6，在其續流二極管假定導通時(shí)減小電壓降。

3、汽車(chē)功率模塊　

針對大電流馬達應用的典型APM使用了六個(gè)低RDSON MOSFET，采用三個(gè)半橋方式布局，共用一個(gè)VBAT供電?？蛇x擇的EMC元件對導通輻射進(jìn)行抑制。典型的調制頻率為10kHz~15kHz。APM工作于-40°C ~125°C。內部的熱敏電阻可以在極端溫度下對輸出功率進(jìn)行溫和的關(guān)斷(foldback)。電流分流器的公共返回位置可以實(shí)現電流的同步解調，將其與相位操作進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這種拓撲適用于電動(dòng)助力轉向等靜態(tài)轉矩控制，或者是電動(dòng)液壓助力轉向的旋轉泵等連續的速度和轉矩控制。

4、 智能IGBT點(diǎn)火器

流行的汽車(chē)點(diǎn)火結構是每個(gè)汽缸使用一個(gè)線(xiàn)圈(鉛筆線(xiàn)圈)，直接安裝在火花塞的上方，以省去點(diǎn)火引線(xiàn)。IGBT和控制裝置常常位于單獨的電子模塊中，通常為引擎或者動(dòng)力傳動(dòng)控制器?，F今，某些線(xiàn)圈包含IGBT，從電子模塊中消除了高壓。然而，為了控制線(xiàn)圈電流，必須為控制器提供一個(gè)電流反饋信號。這樣就需要額外的引線(xiàn)。

為線(xiàn)圈的IGBT組件添加控制IC，可以在不增加引線(xiàn)的情況下提供其它功能。使用復雜的引線(xiàn)框可以將無(wú)源元件與控制芯片和IGBT封裝在一起。

圖11，智能點(diǎn)火(一個(gè)線(xiàn)圈)。

注意，在圖11所示的智能鉛筆線(xiàn)圈連接器上，VBAT、輸入以及地線(xiàn)是僅有的連接。這款控制IC包含自主功能：

（1）限流，實(shí)現最長(cháng)駐留時(shí)間；

（2）過(guò)壓保護；

（3）超溫保護；

（4）輸入信號完整性：

（5）抗瞬變能力；

（6）消除火花的軟關(guān)斷。

針對高壓開(kāi)路電路，IGBT典型額定值在300mJ~500mJ。使用高性能線(xiàn)圈，提供的火花能量目標值可以達到70mJ以上，標稱(chēng)線(xiàn)圈電流為10A。為達到此目標，控制和保護功能必須處理從冷啟動(dòng)到高RPM工作的全范圍運作狀況。還可以實(shí)現其它診斷功能：

（1）初級端短路/開(kāi)路；

（2）次級端短路/火花能量低；

（3）高壓開(kāi)路

四、未來(lái)的挑戰

隨著(zhù)電子產(chǎn)品在汽車(chē)中的應用持續增加，高壓和低壓應用都面臨類(lèi)似的挑戰。高壓產(chǎn)品面臨的挑戰包括：

（1）隔離和增加熱壽命方面的封裝改進(jìn)；

（2）提高IGBT性能，降低損耗；

（3）處理負載的更高相位電流的能力(大于30A)，例如：壓縮機驅動(dòng)；

（4）增加自保護功能(散熱、峰值相位電流等)；

（5）改善電磁兼容性能。

低壓產(chǎn)品的挑戰有：

（1）改善MOSFET技術(shù)，降低硅器件成本；

（2）集成耐用的柵極驅動(dòng)和智能電磁兼容控制；

（3）集成電池反向保護功能；

（4）降低散熱方面的材料成本。

五、結論

功率半導體是現今集成電子系統以期提高功能性、改善車(chē)輛性能以及提高可靠性的主要推動(dòng)力量。智能功率器件已經(jīng)成為配電系統中的核心構建模塊。車(chē)輛中的獨立功率電路數量已經(jīng)從過(guò)去數十年間的數十個(gè)增加到現今復雜車(chē)輛中的50個(gè)以上。照明和便利性功能還將繼續發(fā)展，以滿(mǎn)足用戶(hù)的要求。許多使用基于極限控制的關(guān)鍵任務(wù)系統現在使用變量控制。智能功率特性的提升是必不可少的。更精確的負載反饋、診斷、故障安全功能、提高效率的精密控制、電磁兼容性以及用戶(hù)界面簡(jiǎn)化等均有著(zhù)強大的市場(chǎng)需求。為了達到未來(lái)的性能目標，需要改進(jìn)控制芯片和獨特的IGBT/MOSFET功率器件，同時(shí)提升散熱優(yōu)化和環(huán)境穩定性封裝技術(shù)。