汽車系統(tǒng)中的功率電子技術(shù)

圖5，不受限與受限制的啟動電流比較。

燈使用智能功率器件和PWM技術(shù)，實現(xiàn)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(fù)載線出現(xiàn)過載或短路；

（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）通過功率調(diào)整并使用PWM對燈進(jìn)行預(yù)熱，延長使用壽命；

（6）通過激活其它具有所需亮度的可用燈，實現(xiàn)故障管理；

（7）通過優(yōu)化開關(guān)邊緣和錯時開關(guān)方式減小電磁輻射。

在車前燈開啟的初時，由于燈泡燈絲的熱阻低，會出現(xiàn)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實現(xiàn)軟啟動。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(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的10~14倍，持續(xù)時間為數(shù)毫秒。在250ms~500ms后，啟動過程結(jié)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，軟啟動過程應(yīng)達(dá)到500ms，以延長燈的壽命，如圖5(b)所示。

2、 用于DC-DC應(yīng)用的高壓分立式解決方案　

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

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

（1）一個輸入的低壓端標(biāo)稱電壓為12V，在充電和放電過程中在9V~16V之間變化。

（2）根據(jù)用戶情況，標(biāo)稱高側(cè)電壓可以從144V變化到288V或更高。

（3）標(biāo)稱充電和放電功率為1.5kW。

（4）開關(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(yīng)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(zhuǎn)換器示意圖。它由一個全橋Q1-Q4通過一個高頻變壓器與一個帶有升壓電感的推挽級連接而成。在升壓模式下，使用兩個PWM信號來控制器件Q5和Q6。

圖6，全橋同步DC/DC轉(zhuǎn)換器。

如圖7所示，有幾種實現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換的方法。全橋方法常常用來減小車輛的重量并提高效率。

圖7，DC/DC轉(zhuǎn)換器對比輸出功率。

在這種運(yùn)作過程中，DC/DC轉(zhuǎn)換器作為一種降壓轉(zhuǎn)換器，將電壓從200V或者更高，降低至12V。原則上不能驅(qū)動低壓端的開關(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，移相時序圖。

而在高壓端，移相調(diào)制能夠?qū)崿F(xiàn)MOSFET的零電壓開關(guān)(ZVS)，幾乎消除了開關(guān)損耗。在移相調(diào)制中，具有相同引腳的兩個器件由兩個具有50%占空比和正確死區(qū)時間設(shè)置的互補(bǔ)信號驅(qū)動。在兩個引腳之間，通過反饋環(huán)路將信號移相一個角度。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)均衡使用變壓器，防止鐵芯飽和。移相造成的交疊為降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)定了占空比，以便調(diào)整輸出電壓。圖8為所描述的控制信號。

圖9，移相調(diào)制中的零電壓開關(guān)動作。

圖9所示為如何通過正確設(shè)定驅(qū)動全橋逆變器的兩個互補(bǔ)對的死區(qū)時間，讓MOSFET的導(dǎo)通發(fā)生在零電壓點。這是因為當(dāng)先前處于導(dǎo)通狀態(tài)的MOSFET(例如圖11中的Q3)關(guān)斷時，由于死區(qū)時間的緣故，Q5仍然處于關(guān)斷，半橋的中點處于懸浮，并且開始出現(xiàn)一種自然振蕩，這是由于在半橋的中點，變壓器的泄漏電感和寄生電容構(gòu)成了諧振電路。

圖10，同步整流和移相調(diào)制。

這引發(fā)VDS4以固定頻率振蕩，通過正確設(shè)定死區(qū)時間，Q4可以在零電壓處導(dǎo)通。最后，為了進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換器效率，采用圖10所示的方式來控制Q5和Q6，在其續(xù)流二極管假定導(dǎo)通時減小電壓降。

3、汽車功率模塊　

針對大電流馬達(dá)應(yīng)用的典型APM使用了六個低RDSON MOSFET，采用三個半橋方式布局，共用一個VBAT供電。可選擇的EMC元件對導(dǎo)通輻射進(jìn)行抑制。典型的調(diào)制頻率為10kHz~15kHz。APM工作于-40°C ~125°C。內(nèi)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現(xiàn)電流的同步解調(diào)，將其與相位操作進(jìn)行關(guān)聯(lián)。這種拓?fù)溥m用于電動助力轉(zhuǎn)向等靜態(tài)轉(zhuǎn)矩控制，或者是電動液壓助力轉(zhuǎn)向的旋轉(zhuǎn)泵等連續(xù)的速度和轉(zhuǎn)矩控制。

4、 智能IGBT點火器

流行的汽車點火結(jié)構(gòu)是每個汽缸使用一個線圈(鉛筆線圈)，直接安裝在火花塞的上方，以省去點火引線。IGBT和控制裝置常常位于單獨(dú)的電子模塊中，通常為引擎或者動力傳動控制器。現(xiàn)今，某些線圈包含IGBT，從電子模塊中消除了高壓。然而，為了控制線圈電流，必須為控制器提供一個電流反饋信號。這樣就需要額外的引線。

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

圖11，智能點火(一個線圈)。

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

（1）限流，實現(xiàn)最長駐留時間；

（2）過壓保護(hù)；

（3）超溫保護(hù)；

（4）輸入信號完整性：

（5）抗瞬變能力；

（6）消除火花的軟關(guān)斷。

針對高壓開路電路，IGBT典型額定值在300mJ~500mJ。使用高性能線圈，提供的火花能量目標(biāo)值可以達(dá)到70mJ以上，標(biāo)稱線圈電流為10A。為達(dá)到此目標(biāo)，控制和保護(hù)功能必須處理從冷啟動到高RPM工作的全范圍運(yùn)作狀況。還可以實現(xiàn)其它診斷功能：

（1）初級端短路/開路；

（2）次級端短路/火花能量低；

（3）高壓開路

四、未來的挑戰(zhàn)

隨著電子產(chǎn)品在汽車中的應(yīng)用持續(xù)增加，高壓和低壓應(yīng)用都面臨類似的挑戰(zhàn)。高壓產(chǎn)品面臨的挑戰(zhàn)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(fù)載的更高相位電流的能力(大于30A)，例如：壓縮機(jī)驅(qū)動；

（4）增加自保護(hù)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(zhàn)有：

（1）改善MOSFET技術(shù)，降低硅器件成本；

（2）集成耐用的柵極驅(qū)動和智能電磁兼容控制；

（3）集成電池反向保護(hù)功能；

（4）降低散熱方面的材料成本。

五、結(jié)論

功率半導(dǎo)體是現(xiàn)今集成電子系統(tǒng)以期提高功能性、改善車輛性能以及提高可靠性的主要推動力量。智能功率器件已經(jīng)成為配電系統(tǒng)中的核心構(gòu)建模塊。車輛中的獨(dú)立功率電路數(shù)量已經(jīng)從過去數(shù)十年間的數(shù)十個增加到現(xiàn)今復(fù)雜車輛中的50個以上。照明和便利性功能還將繼續(xù)發(fā)展，以滿足用戶的要求。許多使用基于極限控制的關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)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(fù)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界面簡化等均有著強(qiáng)大的市場需求。為了達(dá)到未來的性能目標(biāo)，需要改進(jìn)控制芯片和獨(dú)特的IGBT/MOSFET功率器件，同時提升散熱優(yōu)化和環(huán)境穩(wěn)定性封裝技術(shù)。