電力電子技術(shù)在汽車42V直流總線下的應(yīng)用

從當(dāng)前的應(yīng)用現(xiàn)狀看，日本汽車廠家多采用永磁無刷直流機(jī)；大部份美國(guó)廠家選用異步機(jī)；而在歐洲，兩種電機(jī)都有應(yīng)用。當(dāng)然，另外兩種電機(jī)也處于很活躍的試驗(yàn)研究階段。最終的電機(jī)選擇將依賴于功率等級(jí)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路的成本，電機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的耦合方式，以及系統(tǒng)性能的全面考慮。

2. 功率驅(qū)動(dòng)及控制
一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)(ISA)系統(tǒng)包括電機(jī)與相關(guān)的驅(qū)動(dòng)與控制系統(tǒng)，如圖2所示。功率驅(qū)動(dòng)是連接蓄電池與電機(jī)的界面。它實(shí)現(xiàn)直流與交流之間的能量轉(zhuǎn)換。

nbsp; 對(duì)于一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，功率驅(qū)動(dòng)是一個(gè)更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)占整個(gè)一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)系統(tǒng)價(jià)格的60%到90%。因此，對(duì)于對(duì)價(jià)格非常敏感的汽車工業(yè)，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，降低成本成為一個(gè)贏得市場(chǎng)的關(guān)鍵。

從性能及導(dǎo)熱設(shè)計(jì)的角度，功率元件的尺寸越大越好。而從價(jià)格上看，當(dāng)然晶片的尺寸越小越經(jīng)濟(jì)。所以，功率驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

在汽車應(yīng)用中，由于直流總線的電壓是42V，因此對(duì)于這一大電流小電壓的應(yīng)用領(lǐng)域，MOSFET是當(dāng)然的選擇。然而，因?yàn)榍皺C(jī)蓋下的工作溫度在 到+ 之間，這對(duì)MOSFET提出了非常高的要求。同時(shí)，由于電機(jī)的頻繁起停和負(fù)載變化，瞬態(tài)電流會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的幾倍。因此，對(duì)元件的過流能力及散熱設(shè)計(jì)都要有較高要求。

此外，MOSFET的導(dǎo)通電阻要盡量減低以達(dá)到降低導(dǎo)通損耗的目的。而導(dǎo)通電阻和擊穿電壓成反比，因而，MOSFET的擊穿電壓要盡量低。但是，電路中的雜散電感會(huì)在MOSFET關(guān)斷過程中引起電壓過沖而使MOSFET工作于雪崩狀態(tài)，從而使開關(guān)損耗增加。因而，從減低開關(guān)損耗的角度看，擊穿電壓要高才好。將這兩個(gè)要求折衷考慮，擊穿電壓75V到100V的MOSFET為較優(yōu)化的選擇。

另外，散熱及可靠性也都須在元件選擇及系統(tǒng)設(shè)計(jì)中給以考慮。不僅如此，在這一應(yīng)用中，采用單一的大尺寸MOSFET成本較高。為降低價(jià)格，常采用小尺寸MOSFET并聯(lián)以滿足功率要求，所以，元件間要有很好的參數(shù)一致性，并且要合理布局電路來均布雜散電感，以防負(fù)荷不均勻引起元件損壞。

國(guó)際整流器(IR)公司針對(duì)這一應(yīng)用設(shè)計(jì)了幾種MOSFET，例如 IRBT2907，IRFB3808及更新型的針對(duì)汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的溝道形MOSFET。這些產(chǎn)品的共同特點(diǎn)是：極低的導(dǎo)通電阻(Rdson)，以滿足低導(dǎo)通損耗的要求；極小的開關(guān)時(shí)間，以減低開關(guān)損耗。同時(shí)，為降低及有效控制雜散電感，IR也提供模塊解決方案。如圖3所示，兩個(gè)并聯(lián)的MOSFET芯片構(gòu)成一個(gè)開關(guān)，其驅(qū)動(dòng)電路則與其緊湊的設(shè)計(jì)在一起。這一開關(guān)可承受600A的峰值電流。

除了對(duì)功率元件的要求外，一體化起動(dòng)/發(fā)電機(jī)也對(duì)控制系統(tǒng)提出了較高的要求。首先，電機(jī)要能在寬廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，并實(shí)現(xiàn)?功率控制。同時(shí)，作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，要同時(shí)具有穩(wěn)定42V直流總線電壓的功能；其次，要有完善的保護(hù)功能，以達(dá)到汽車工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)；最后還要嚴(yán)格控制價(jià)格，例如，去掉昂貴的位置傳感器，利用電流、電壓信號(hào)實(shí)現(xiàn)無位置傳感器控制，從而減低成本。V總線成為汽車工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，從14V到42V的轉(zhuǎn)換仍需要很長(zhǎng)時(shí)間。即兩種電壓系統(tǒng)要共存。所以一個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器將成為必需。圖4顯示了集中式直流/直流轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。