總成架構的演變——失敗的42V電池總成與成功的48V電源總線

　　48V興起

　　大約10年之后的現(xiàn)在，我們又聚焦在OEM和系統(tǒng)供應商所探討過的——提高總成電壓的這個點上?，F(xiàn)在正在討論48V的電源總線，并且接近這個目標，通過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(tǒng)。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汽車所描繪的情形呢?

　　事實上，48V概念與我們在2000年初所討論的42V的活動有著幾項明顯的差異。最大的差異是42V概念是基于對14V系統(tǒng)的革命性取代。它差不多算是采用更高壓的系統(tǒng)，省去了12V的電池和相應的14V電源總成。48V的概念表明，現(xiàn)在可以考慮一個更具革命性的步驟，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和執(zhí)行的方式。但是確定的是，汽車OEM已經接受了昂貴的42V嘗試的教訓。因此，48V電壓被視為第二條電源線，同時保留著與48V并聯(lián)的12V電池和相應的14V電源總成。48V電源總線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，提高電機的效率來使整個汽車油耗提升并降低排量。同時，所有其它應用和系統(tǒng)僅停留在14V總線上，從而可以允許對于現(xiàn)有高性價比產品的繼續(xù)使用，而這些產品此前是為14V產品建立和設計的，基本上不會受到48V要求的任何影響。與把汽車中所有的元件都用更高電壓總線的產品取代相比，這已經實現(xiàn)了最大的成本節(jié)約。48V概念增加了一個電源總線，它通過來源于12V鉛酸電池的降壓/升壓DC-DC轉換器來生成。至少在初始階段，我們并沒有去深入調查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，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觸及到車內的電路。

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

　　第三個成功因素是48V使能系統(tǒng)的顯著價值，比10年前所討論的42V系統(tǒng)所帶給客戶的優(yōu)勢更加顯而易見。僅以啟-停功能為例，在城市交通擁堵時，即可實現(xiàn)15%-20%的節(jié)油，與之前設立的42V目標值產品相比，對車主而言在節(jié)油方面有著更大的影響。而且，發(fā)動機在等待交通燈時可以完全關閉，利用電傳系統(tǒng)驅動，以保證在發(fā)動機停止狀態(tài)下一些重要系統(tǒng)(如制冷系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、加熱器等)仍然繼續(xù)運行。所以，實際上，駕駛員既可體會到48V系統(tǒng)的燃油消耗優(yōu)勢 及汽車駕駛性能優(yōu)勢。

　　最為重要的一點，所有的環(huán)保法規(guī)和車船消耗規(guī)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(tǒng)或采用數(shù)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，實際上48V電源的前景非常可觀，它是可支持我們現(xiàn)代環(huán)保型汽車的極具優(yōu)勢的可用產品。

　　IR的解決方案

　　然而，從元件和半導體兩方面而方，仍然意味著要對汽車產品和器件進行相當多的投資，以保留更高的總成電壓。特別是，在電源管理方面，開發(fā)合乎48V汽車架構的MOSFET至關重要，也就是說，高效的75V、以及甚至可能的100V-150V MOSFET也將成為48V系統(tǒng)架構的重要成功部分。如圖2所示(IR的100V功率MOSFET性能表)，過去20年里，半導體器件的傳導和開關損耗已經得到了具大的提升，我們目前仍在不斷前進的道路上，以實現(xiàn)更好的硅MOSFET。我們目前的幾代產品，甚至將推出更多的MOSFET平臺，都將通過適當?shù)碾娫垂芾砥骷?，支持OEM和Tier1，這些器件是面向電機應用，實現(xiàn)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利型GaN硅片開關發(fā)展路線圖，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電壓將重點強調雙總成架構在這兩網之間的高效和低損耗雙向轉換。這尤其會推動12V←→48V降升壓轉換器、12V總線穩(wěn)定器以及可能的多相轉換器需求的增長，如圖4所示，采用IR公司DC-DC發(fā)展路線圖、適用于48V應用的產品。最高效率是關鍵，因此，IR公司目前致力于開發(fā)領先的性能，使開關(如圖2所示，及在長期的超基準型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所驅動的低損耗MOSFET的高效模擬功率級的問題。數(shù)字電源管理是取得成功的另外一個關鍵點。在計算機領域，它已經成功的實現(xiàn)了應用，目的是利用諸如IR公司專利型、基于CHIL的數(shù)字電源管理器實現(xiàn)的高效多相DC-DC轉換。數(shù)字電源轉換的“魔力”及其強大的潛能將通過IR的專利功率級AU-ConvertiR，并結合我們目前正在開發(fā)的ControlliR產品傳遞到汽車市場。明年，我們很快將會發(fā)布一些這方面強大產品性能細節(jié)。

　　我們堅信，IR公司基于CHIL的數(shù)字控制器戰(zhàn)略與我們的多相轉換器方法(圖4概括出其結構)相結合將實現(xiàn)并支持現(xiàn)代汽車中更高壓總線的成功和總成應用。48V不僅可以讓汽車更高效，而且還確定是最具前景、最簡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)動機，但又注重環(huán)保效率的駕駛員而言，這將會提供極具競爭力的產品……至少這一優(yōu)勢可以保留至電動汽車成為大眾負擔得起的更大市場那日為止。