汽車系統(tǒng)中的功率電子技術(shù)

一、導(dǎo)言　

汽車中使用電子產(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(jì)初。上世紀(jì)60年代，隨著固體電子產(chǎn)品的出現(xiàn)，汽車電子開始盛行起來。現(xiàn)今存在著幾種推動(dòng)汽車市場對(duì)電子產(chǎn)品的需求，尤其是功率半導(dǎo)體器件需求的趨勢。它們是：

（1）對(duì)于乘客舒適性和便利性功能的顯著需求，如座椅加熱和座椅制冷、自動(dòng)座椅定位、高級(jí)照明以及多區(qū)暖通空調(diào)(HVAC)。這些系統(tǒng)應(yīng)用都需要更大的功率和更多的功率管理。飛兆半導(dǎo)體的集成高側(cè)開關(guān)等產(chǎn)品具有高效控制和管理上述功率負(fù)載的功能。

（2）先進(jìn)的動(dòng)力傳動(dòng)系控制系統(tǒng)提高了燃油經(jīng)濟(jì)性，減少了車輛排放。這些系統(tǒng)必須更精確地控制燃燒過程，連續(xù)不斷地提供狀態(tài)檢查，同時(shí)在系統(tǒng)需要正常運(yùn)作所必需的功率和模擬控制功能。飛兆半導(dǎo)體的40V和60V PowerTrench MOSFET器件、高側(cè)開關(guān)以及智能點(diǎn)火產(chǎn)品能夠滿足這些要求。

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

（4）電動(dòng)和混合電動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)等替代動(dòng)力傳動(dòng)系技術(shù)需要顯著增加汽車的功率處理能力，需要能夠處理1kW~40kW的DC/DC轉(zhuǎn)換器等新型汽車電子產(chǎn)品。根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)，需要使用集成化混合動(dòng)力總成(Integrated Starter Generator, ISG)和牽引馬達(dá)逆變器來處理5kW~120kW或更高功率。飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench MOSFET、場截止IGBT、智能開關(guān)和柵極驅(qū)動(dòng)器等通過了汽車產(chǎn)品認(rèn)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(tǒng)提供了高成本效益解決方案。

二、使用飛兆半導(dǎo)體智能功率和功率技術(shù)的系統(tǒng)　

1、 汽車照明　

為了處理系統(tǒng)性和隨機(jī)性故障，使用分立MOSFET、智能MOSFET功率開關(guān)以及IGBT等電子器件來替代機(jī)械式開關(guān)和繼電器，用于控制車燈、柴油車預(yù)熱塞系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)以及馬達(dá)。智能功率器件(SPD)可以在消除機(jī)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溝道功率場效應(yīng)管(FET)，具有一個(gè)內(nèi)部電源、電流受控輸入、帶負(fù)載電流感測的診斷反饋功能以及嵌入式保護(hù)功能。使用chip-on-chip和chip-by-chip技術(shù)集成功率級(jí)、控制、驅(qū)動(dòng)以及保護(hù)電路。

圖1，智能MOSFET結(jié)構(gòu)圖。

SPD的主要目標(biāo)是替代汽車?yán)^電器和熔斷器。智能開關(guān)能夠?qū)㈤_關(guān)和保護(hù)功能結(jié)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(hù)功能外，SPD具有減少線束，加入診斷功能和實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制的更多優(yōu)勢，所以，SPD不僅能夠保護(hù)自身，還能保護(hù)與其相連的負(fù)載和鄰近器件?？梢允褂脦в幸恍┩獠吭膽?yīng)用電路，依照應(yīng)用系統(tǒng)正確地運(yùn)作系統(tǒng)。

2、分立式功率器件(DC-DC轉(zhuǎn)換器)　

目前，最重要的環(huán)境問題之一就是作為運(yùn)輸主要能源之一的碳?xì)浠衔锶紵a(chǎn)生的污染。混合動(dòng)力車(HEV)和電動(dòng)車(EV)正逐漸成為“綠色”運(yùn)輸?shù)奶娲?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/動(dòng)力傳動(dòng)">動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。這些車輛不僅涉及牽引部件，而且推動(dòng)了電能轉(zhuǎn)換方面的新應(yīng)用?；旌蟿?dòng)力車輛內(nèi)的一種關(guān)鍵模塊便是用于電氣負(fù)載輔助電源的DC/DC轉(zhuǎn)換器，因?yàn)镠EV和EV仍然使用頭/尾燈、加熱風(fēng)扇以及音頻系統(tǒng)等輔助負(fù)載。該轉(zhuǎn)換器必須具有處理從高電壓轉(zhuǎn)換至12V電壓的能力，如圖2所示。

圖2，HEV/EV電氣負(fù)載需要能量轉(zhuǎn)換。

因此，應(yīng)用工程師們將注意力集中在HEV和HE系統(tǒng)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(zhuǎn)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)，這類應(yīng)用中的輔助功率轉(zhuǎn)換器代表著電池組對(duì)高壓直流總線的高效管理，根據(jù)電動(dòng)馬達(dá)的功率不同，范圍在200V~800V之間。

此外，系統(tǒng)的效率是一個(gè)關(guān)鍵特性，并且是設(shè)計(jì)選擇的重要參數(shù)。轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)趨勢是在寬負(fù)載條件范圍內(nèi)達(dá)到90%或者更高的效率。

轉(zhuǎn)換器的可靠性是至關(guān)重要的，因?yàn)楣收蠒?huì)引起12V電池的泄放，從而造成所有靠電池電力驅(qū)動(dòng)的附件的故障。另一方面，不能忽略效率和電磁兼容(EMC)問題。因此，有源箝位等軟開關(guān)和能量回收技術(shù)非常有益。

3、汽車功率模塊(APM)　

高壓(600 VDC)和低壓(12-24VDC)系統(tǒng)都可以使用APM。飛兆半導(dǎo)體向汽車市場提供用于高壓和低壓系統(tǒng)的APM器件，它們幾乎都用來驅(qū)動(dòng)三相馬達(dá)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)來實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)。

低壓(LV)意味著以更大的電流來驅(qū)動(dòng)通常與該類型解決方案相關(guān)聯(lián)的較大負(fù)載。低壓應(yīng)用使用30V~60V N溝道MOSFET。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和電驅(qū)動(dòng)液壓混合轉(zhuǎn)向是兩種最普遍的LV-APM解決方案。峰值相位電流能夠達(dá)到100A以上。這需要大的銅質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，用于芯片焊盤(die paddle)和電流通路以及多個(gè)大電流粘合引線。正溫度系數(shù)(PTC)器件、無源EMC元件、分流器都達(dá)到了更高的集成度并提高了可靠性。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向中使用APM是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化封裝和低系統(tǒng)成本的關(guān)鍵。在靜態(tài)停車時(shí)，相比液壓系統(tǒng)，降低寄生引擎負(fù)載可以減小車輛引擎的尺寸，從而更小型車輛。低壓模塊用于EV/HEV車輛，也用在傳統(tǒng)的內(nèi)燃式引擎汽車上。

高壓應(yīng)用主要包括由高母線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。這一市場中的模塊化解決方案類似于許多工業(yè)市場中的應(yīng)用，并使用類似的功率模塊，IGBT和MOSFET解決方案均可使用。典型的模塊有高壓柵極驅(qū)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(jié)構(gòu)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(qiáng)熱傳導(dǎo)的類型。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車輛中。

三、詳細(xì)的應(yīng)用示例　

1、汽車前燈應(yīng)用　

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

圖3，各種電壓下的車燈壽命曲線。

此處，車燈壽命為小時(shí)數(shù)。此外，在打開車前燈時(shí)，大的涌入電流會(huì)縮短車燈的使用壽命，因?yàn)闊襞轃艚z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，可以延長燈泡的使用壽命。為了延長車前燈的使用壽命，在電池電壓高于標(biāo)稱電壓13.2V時(shí)，使用限制電流的方式來實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)。使用PWM來控制輸入電壓。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(dāng)電池電壓高于標(biāo)稱電壓時(shí)，如圖4所示，確定PWM占空比。

圖4，不同電壓下的穩(wěn)定功率消耗。

此處：VNOM——標(biāo)稱電壓；VRMS ——RMS電壓；VBAT ——電池電壓；RLAMP ——燈泡電阻。

這種計(jì)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(yīng)用中，使用PWM在100Hz頻率下實(shí)現(xiàn)功率調(diào)制。圖3顯示電壓處于標(biāo)稱電壓附近時(shí)功率沒有上升，從而保護(hù)了燈泡。