汽車系統中的功率電子技術

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，實現以下功能：

（1）在安裝位置減小熔斷器和熔斷器座的尺寸；

（2）防止負載線出現過載或短路；

（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）通過功率調整并使用PWM對燈進行預熱，延長使用壽命；

（6）通過激活其它具有所需亮度的可用燈，實現故障管理；

（7）通過優化開關邊緣和錯時開關方式減小電磁輻射。

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。峰值電流達到穩態電流的10~14倍，持續時間為數毫秒。在250ms~500ms后，啟動過程結束。理論上，由于10倍左右的涌入電流縮短了燈泡的壽命。因此，軟啟動過程應達到500ms，以延長燈的壽命，如圖5(b)所示。

2、 用于DC-DC應用的高壓分立式解決方案　

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

如下所示，需要使用汽車DC-DC轉換器。建議DC/DC轉換器具有以下關鍵功能：

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

（2）根據用戶情況，標稱高側電壓可以從144V變化到288V或更高。

（3）標稱充電和放電功率為1.5kW。

（4）開關頻率可以從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轉換器。

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

圖7，DC/DC轉換器對比輸出功率。

在這種運作過程中，DC/DC轉換器作為一種降壓轉換器，將電壓從200V或者更高，降低至12V。原則上不能驅動低壓端的開關。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，移相調制能夠實現MOSFET的零電壓開關(ZVS)，幾乎消除了開關損耗。在移相調制中，具有相同引腳的兩個器件由兩個具有50%占空比和正確死區時間設置的互補信號驅動。在兩個引腳之間，通過反饋環路將信號移相一個角度。該方法能夠實現均衡使用變壓器，防止鐵芯飽和。移相造成的交疊為降壓轉換器設定了占空比，以便調整輸出電壓。圖8為所描述的控制信號。

圖9，移相調制中的零電壓開關動作。

圖9所示為如何通過正確設定驅動全橋逆變器的兩個互補對的死區時間，讓MOSFET的導通發生在零電壓點。這是因為當先前處于導通狀態的MOSFET(例如圖11中的Q3)關斷時，由于死區時間的緣故，Q5仍然處于關斷，半橋的中點處于懸浮，并且開始出現一種自然振蕩，這是由于在半橋的中點，變壓器的泄漏電感和寄生電容構成了諧振電路。

圖10，同步整流和移相調制。

這引發VDS4以固定頻率振蕩，通過正確設定死區時間，Q4可以在零電壓處導通。最后，為了進一步提高轉換器效率，采用圖10所示的方式來控制Q5和Q6，在其續流二極管假定導通時減小電壓降。

3、汽車功率模塊　

針對大電流馬達應用的典型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元件對導通輻射進行抑制。典型的調制頻率為10kHz~15kHz。APM工作于-40°C ~125°C。內部的熱敏電阻可以在極端溫度下對輸出功率進行溫和的關斷(foldback)。電流分流器的公共返回位置可以實現電流的同步解調，將其與相位操作進行關聯。這種拓撲適用于電動助力轉向等靜態轉矩控制，或者是電動液壓助力轉向的旋轉泵等連續的速度和轉矩控制。

4、 智能IGBT點火器

流行的汽車點火結構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的電子模塊中，通常為引擎或者動力傳動控制器。現今，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，實現最長駐留時間；

（2）過壓保護；

（3）超溫保護；

（4）輸入信號完整性：

（5）抗瞬變能力；

（6）消除火花的軟關斷。

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值可以達到70mJ以上，標稱線圈電流為10A。為達到此目標，控制和保護功能必須處理從冷啟動到高RPM工作的全范圍運作狀況。還可以實現其它診斷功能：

（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

隨著電子產品在汽車中的應用持續增加，高壓和低壓應用都面臨類似的挑戰。高壓產品面臨的挑戰包括：

（1）隔離和增加熱壽命方面的封裝改進；

（2）提高IGBT性能，降低損耗；

（3）處理負載的更高相位電流的能力(大于30A)，例如：壓縮機驅動；

（4）增加自保護功能(散熱、峰值相位電流等)；

（5）改善電磁兼容性能。

低壓產品的挑戰有：

（1）改善MOSFET技術，降低硅器件成本；

（2）集成耐用的柵極驅動和智能電磁兼容控制；

（3）集成電池反向保護功能；

（4）降低散熱方面的材料成本。

五、結論

功率半導體是現今集成電子系統以期提高功能性、改善車輛性能以及提高可靠性的主要推動力量。智能功率器件已經成為配電系統中的核心構建模塊。車輛中的獨立功率電路數量已經從過去數十年間的數十個增加到現今復雜車輛中的50個以上。照明和便利性功能還將繼續發展，以滿足用戶的要求。許多使用基于極限控制的關鍵任務系統現在使用變量控制。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大的市場需求。為了達到未來的性能目標，需要改進控制芯片和獨特的IGBT/MOSFET功率器件，同時提升散熱優化和環境穩定性封裝技術。