智能大電流功率開(kāi)關(guān)可有效降低汽車(chē)電子系統(tǒng)成本

人們對(duì)半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)和繼電器的比較常常僅關(guān)注開(kāi)關(guān)本身的成本，這僅對(duì)于那些只關(guān)心開(kāi)關(guān)功能的應(yīng)用而言是合理的。而當(dāng)某個(gè)應(yīng)用還能利用一個(gè)智能半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)提供的附加功能時(shí)，則應(yīng)該基于系統(tǒng)總成本對(duì)兩者進(jìn)行比較。

在計(jì)算系統(tǒng)成本時(shí)，不僅需要考慮智能半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)本身的純功能優(yōu)勢(shì)，而且還應(yīng)該考慮它帶來(lái)的一些其它好處，如對(duì)功率要求的降低和最終汽車(chē)耗油量的降低?，F(xiàn)在，汽車(chē)業(yè)界打算開(kāi)發(fā)一種每百公里僅消耗三升汽油(相當(dāng)于每加侖80英里)的汽車(chē)，其較低的功率預(yù)算和由此帶來(lái)的成本節(jié)省不應(yīng)當(dāng)被忽視。

半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)具有更多功能

在汽車(chē)應(yīng)用中，智能功率開(kāi)關(guān)的功能可基本上分為直接開(kāi)關(guān)功能和附加功能。此外，半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)的使用還可能產(chǎn)生某種削減其它區(qū)域成本的替代效果。例如，如果智能功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)有助于降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，那么也許我們可以采用更小功率的汽車(chē)發(fā)電機(jī)。

與機(jī)械開(kāi)關(guān)、繼電器或分立元件的作用一樣，開(kāi)關(guān)功能指的是接通或切斷一個(gè)負(fù)載。例如，燃料泵可以借助功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)靜靜地打開(kāi)或關(guān)閉，但除此之外，智能功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)還能提供很多附加的功能。采用半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)來(lái)替代繼電器意味著，短路再也不會(huì)燒毀開(kāi)關(guān)、負(fù)載、電纜和保險(xiǎn)絲了。英飛凌科技公司的智能功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)用于在發(fā)生短路時(shí)保護(hù)系統(tǒng)不受損害，當(dāng)然也包括所有饋線(xiàn)上的電感元件。這種開(kāi)關(guān)還具有抗過(guò)熱功能：即一旦溫度超過(guò)某個(gè)界限，它們將有選擇性地?cái)嚅_(kāi)任一負(fù)載的電流。至于溫度上升是由電流過(guò)大引起的還是由外部熱源的影響所引起的，對(duì)這些開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)沒(méi)有分別。

智能功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)提供的另外一個(gè)附加功能是過(guò)壓保護(hù)。所有的PROFET和HITFET功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)(圖1)都具有動(dòng)態(tài)過(guò)壓(例如負(fù)載陡減或出現(xiàn)Schaffner脈沖)保護(hù)功能。這個(gè)功能包括關(guān)斷感性負(fù)載在內(nèi)。在此類(lèi)情況下，在開(kāi)關(guān)兩端產(chǎn)生的負(fù)向電壓峰值可通過(guò)動(dòng)態(tài)齊納嵌位限制在-50或-60V的典型值。與機(jī)械開(kāi)關(guān)不同的是，它不需要額外的元件。

智能功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)也能提供診斷功能。這一功能在同安全有關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)中和系統(tǒng)維修中尤為有用。由于診斷報(bào)告可以提供有關(guān)負(fù)載中斷的數(shù)據(jù)，臨時(shí)性故障數(shù)據(jù)可得到記錄和存儲(chǔ)，而這將大幅度簡(jiǎn)化故障診斷和定位過(guò)程。汽車(chē)司機(jī)和維修人員難以發(fā)現(xiàn)的那些故障(如λ探針故障或washer管加熱器故障)現(xiàn)在通過(guò)這種方法可以很容易地找到。

一些半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)可以設(shè)計(jì)在高頻下工作，它們可用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些切換頻率非常高的應(yīng)用，如剎車(chē)燈或PWM(脈寬調(diào)制)開(kāi)關(guān)。特別值得一提的是，PWM已經(jīng)開(kāi)創(chuàng)了調(diào)光燈、驅(qū)動(dòng)模擬閥門(mén)或馬達(dá)速度控制等新的應(yīng)用。PWM使得我們可以很容易地對(duì)電流和功率進(jìn)行監(jiān)控。

要控制大電流，首先必須知道電流的大小。借助PROFET和HITFET系列的新型開(kāi)關(guān)，流過(guò)開(kāi)關(guān)的電流可以通過(guò)一個(gè)相對(duì)于地的線(xiàn)性模式的感應(yīng)信號(hào)估計(jì)出來(lái)。這使得過(guò)載或隱性短路可以檢測(cè)出來(lái)，一旦它們超過(guò)所允許的最大持續(xù)時(shí)間，就立即把開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。這種方法可在無(wú)須使用保險(xiǎn)絲的情況下提供對(duì)過(guò)熱和火災(zāi)的防護(hù)。此外，電纜導(dǎo)體的橫截面可以做到與額定負(fù)載電流完全匹配，這一節(jié)省可大大降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。

智能負(fù)載控制可降低功率需求

盡管所有用戶(hù)都樂(lè)于利用功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)提供的附加功能，但對(duì)于這些功能到底可以帶來(lái)多大的成本效益卻并未能取得共識(shí)。不過(guò)，其替代價(jià)值顯示其具備明顯的，這一點(diǎn)可以通過(guò)毋庸置疑的數(shù)字顯示出來(lái)。

這些好處可以通過(guò)油泵的例子展示出來(lái)。不論車(chē)速多高，油泵和發(fā)動(dòng)機(jī)所消耗的功率都在80到250瓦之間，具體數(shù)值同設(shè)計(jì)有關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)輸出設(shè)計(jì)成在全速狀態(tài)下需要最大流量燃油。當(dāng)引擎閑置時(shí)，多余的燃油通過(guò)安全閥返回到油箱，此時(shí)操作油泵只需要幾瓦的功率(圖2)。因此如果油泵能設(shè)計(jì)成按實(shí)際需要提供燃油，那么該發(fā)動(dòng)機(jī)的平均功耗將被減少到5瓦到50瓦之間，具體數(shù)值取決于油泵容量。

采用智能控制至少可以把油泵發(fā)動(dòng)機(jī)的功耗減少100瓦。一般說(shuō)來(lái)，一輛汽車(chē)發(fā)電的效率相對(duì)較低：功率每增大100瓦，每百公里耗油量增加0.15升。因此節(jié)省這100瓦功率相當(dāng)于把車(chē)重減少50千克。

表1列出了各種可以通過(guò)智能開(kāi)關(guān)來(lái)降低功耗的汽車(chē)負(fù)載。目前，由于很多這些負(fù)載仍通過(guò)內(nèi)燃機(jī)采用機(jī)械方式驅(qū)動(dòng)，因此控制起來(lái)比較困難。冷卻水泵是一個(gè)便于通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行控制或調(diào)節(jié)的設(shè)備，另外一個(gè)適合的應(yīng)用是液壓方向盤(pán)控制：僅當(dāng)導(dǎo)向輪需要轉(zhuǎn)向時(shí)才消耗功率。與之相比，即使在直線(xiàn)行使時(shí)，現(xiàn)在的轎車(chē)也總是需要消耗一千瓦的功率。

表中給出的數(shù)字是近似值，而且顯然隨車(chē)型有很大變化。但是，它們清楚地表明，在中程或豪華汽車(chē)中僅僅在駕駛系統(tǒng)中就可以節(jié)省幾百瓦。在這些類(lèi)型的車(chē)輛中，耗油量可以因而從目前的每百公里14升減少到大約6升。

為說(shuō)明節(jié)省燃料的潛力，圖3顯示了一款中檔車(chē)輛由發(fā)動(dòng)機(jī)(80A)和空調(diào)系統(tǒng)引起的額外燃料消耗。為了便于測(cè)試，這兩個(gè)系統(tǒng)是相互斷開(kāi)的，這樣，能量都只由電池提供。在這些條件下，我們通過(guò)EUDC循環(huán)來(lái)確定耗油量?？梢钥闯?，當(dāng)這個(gè)周期開(kāi)始時(shí)，即在平均速度較低時(shí)，耗油量很大。隨著這個(gè)周期時(shí)間的延長(zhǎng)，在較高速度階段，額外消耗降低到大約每百公里2-3升。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)一個(gè)輸出功率默認(rèn)為1千瓦左右的發(fā)電機(jī)，上面提到的每百公里額外消耗是非常保守的估計(jì)，僅在最優(yōu)引擎速度時(shí)才能達(dá)到。

依靠電能管理進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本

降低汽車(chē)的電能需求量意味著：可以采用功率更小的發(fā)動(dòng)機(jī)、電池可變得更小、電纜可具有更小橫截面、以及汽車(chē)總重量可以降低。

這可以降低汽車(chē)設(shè)計(jì)和制造的總成本。由于功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)可以在短路和過(guò)載(例如油泵被阻塞時(shí))情況下關(guān)斷，很顯然，我們可以相應(yīng)地減小負(fù)載或泵。這反過(guò)來(lái)又節(jié)省了泵的設(shè)計(jì)成本，同時(shí)也減小了泵的重量。

有幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)規(guī)則可用來(lái)估算設(shè)計(jì)成本。每降低一千克的重量，可以把一輛車(chē)的設(shè)計(jì)成本減少10到20DM(或每磅3-6美元)，每節(jié)省一瓦特的功率，可以降低成本5-10DM(3-6美元)。

如果把一輛汽車(chē)中的所有電氣負(fù)載加在一起，那么它對(duì)總靜態(tài)功率的需求將在一千瓦左右。在新型的大電流應(yīng)用系統(tǒng)中，這個(gè)數(shù)字可以提高幾倍。如果所有負(fù)載都可以同時(shí)接通，那么發(fā)動(dòng)機(jī)、電池和電纜必須設(shè)計(jì)得可以承受這個(gè)最大負(fù)載。但是，如果能夠按一定次序地和智能地接通負(fù)載，那么一些大電流負(fù)載也就沒(méi)必要同時(shí)接通，從而可大幅度降低最大功率需求。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，可以選擇性地關(guān)斷一些負(fù)載，也可以通過(guò)PWM(圖4)把負(fù)載減小到最小需求值。

例如，在ABS泵工作時(shí)，后窗的加熱元件可以暫時(shí)關(guān)斷。為減小高峰電流增大所導(dǎo)致的電壓下降，各種電機(jī)也可以按不同的時(shí)延進(jìn)行切換。這種電源管理方法也可以用于汽車(chē)防盜。同樣的方法可用于在發(fā)生意外時(shí)有選擇性地切斷負(fù)載和動(dòng)力線(xiàn)，從而大大增強(qiáng)整部車(chē)輛的安全和防盜能力。

智能功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)可降低油耗

在汽車(chē)工業(yè)中使用智能功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)已是一個(gè)明顯的趨勢(shì)：不僅是用來(lái)實(shí)現(xiàn)一些附加的功能，而且還可用來(lái)降低成本。制造一輛以3升燃料跑一百公里的汽車(chē)意味著必須優(yōu)化電氣和機(jī)電負(fù)載，尤其是機(jī)電負(fù)載。這里，英飛凌的智能功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)可以幫助汽車(chē)工業(yè)實(shí)現(xiàn)不但在經(jīng)濟(jì)上可行而且在環(huán)境上友好的解決方案。