总成架构的演变——失败的42V电池总成与成功的48V电源总线

48V兴起

　　大约10年之后的现在，我们又聚焦在OEM和系统供应商所探讨过的——提高总成电压的这个点上。现在正在讨论48V的电源总线，并且接近这个目标，通过降低电流等级和提升电压，更高效的支持那些最需功率的应用和系统。那么，为什么在42V架构失败的10年之后，我们又突然寄希望于48V概念的成功呢?是什么改变了上述为42V汽车所描绘的情形呢?

　　事实上，48V概念与我们在2000年初所讨论的42V的活动有着几项明显的差异。最大的差异是42V概念是基于对14V系统的革命性取代。它差不多算是采用更高压的系统，省去了12V的电池和相应的14V电源总成。48V的概念表明，现在可以考虑一个更具革命性的步骤，可以考虑新增而非取代。当然，48V的成功将需要严格遵循引进和执行的方式。但是确定的是，汽车OEM已经接受了昂贵的42V尝试的教训。因此，48V电压被视为第二条电源线，同时保留着与48V并联的12V电池和相应的14V电源总成。48V电源总线应该仅支持一部分应用，因此，要在更高的功率级上得以应用，需要做出很大努力，例如利用逆变器变速驱动，提高电机的效率来使整个汽车油耗提升并降低排量。同时，所有其它应用和系统仅停留在14V总线上，从而可以允许对于现有高性价比产品的继续使用，而这些产品此前是为14V产品建立和设计的，基本上不会受到48V要求的任何影响。与把汽车中所有的元件都用更高电压总线的产品取代相比，这已经实现了最大的成本节约。48V概念增加了一个电源总线，它通过来源于12V铅酸电池的降压/升压DC-DC转换器来生成。至少在初始阶段，我们并没有去深入调查48V电池，然而，在后面的第二步中，48V的锂电池将是非常有益于能量存储，电源元件与标准的12V电池共存。同时，48V的电压是能够保持60V阙值电压以下的足够低的电压，这是隔离要求的安全限度。超出这一限度，则需要推出安全措施以保护人们避免在遭遇致命事故时触及到车内的电路。

　　另外一个成功因素是在双总成电压方面、尤其是在车载高压应用方面，OEM已经积累了相当多的经验。在汽车中，多重或更高压的架构不再遥不可及，但同时，在基于总线架构的领域中已经建立起完善的解决方案。如图3所示，我们的现代汽车架构目前已经可以适用于许多更高压的领域，例如HID照明、高压压电陶瓷燃油直喷(Piezo-direct fuel Injection)，多种混合动力汽车(HEV)系统类似启-停DC-DC转换器稳定甚至数百伏HEV动力传动系统。所有这些概念都有一个12V电池，或更高电压总线共存的14V总线，二者相互之间很好的隔离开来，并且为车内不同的高压或电压区域供电。

　　第三个成功因素是48V使能系统的显著价值，比10年前所讨论的42V系统所带给客户的优势更加显而易见。仅以启-停功能为例，在城市交通拥堵时，即可实现15%-20%的节油，与之前设立的42V目标值产品相比，对车主而言在节油方面有着更大的影响。而且，发动机在等待交通灯时可以完全关闭，利用电传系统驱动，以保证在发动机停止状态下一些重要系统(如制冷系统、空调系统、加热器等)仍然继续运行。所以，实际上，驾驶员既可体会到48V系统的燃油消耗优势 及汽车驾驶性能优势。

　　最为重要的一点，所有的环保法规和车船消耗规定都迫使采用这些功能，尽管需要一些附加成本，但是与收效甚微的高压系统或采用数百伏电压的全HEV相比，这些成本是微不足道的。所以，整体上讲，实际上48V电源的前景非常可观，它是可支持我们现代环保型汽车的极具优势的可用产品。

IR的解决方案

　　然而，从元件和半导体两方面而方，仍然意味着要对汽车产品和器件进行相当多的投资，以保留更高的总成电压。特别是，在电源管理方面，开发合乎48V汽车架构的MOSFET至关重要，也就是说，高效的75V、以及甚至可能的100V-150V MOSFET也将成为48V系统架构的重要成功部分。如图2所示(IR的100V功率MOSFET性能表)，过去20年里，半导体器件的传导和开关损耗已经得到了具大的提升，我们目前仍在不断前进的道路上，以实现更好的硅MOSFET。我们目前的几代产品，甚至将推出更多的MOSFET平台，都将通过适当的电源管理器件，支持OEM和Tier1，这些器件是面向电机应用，实现更高效能量转换和低能耗逆变器所需要。正如我们在图1中所描述的我们的专利型GaN硅片开关发展路线图，适用于在最低损耗下的高速能量转换，从而又增加了新的革命性的提升，并且超越了最新的硅片器件。

　　谈到能量转换，12V电池/48V电压将重点强调双总成架构在这两网之间的高效和低损耗双向转换。这尤其会推动12V←→48V降升压转换器、12V总线稳定器以及可能的多相转换器需求的增长，如图4所示，采用IR公司DC-DC发展路线图、适用于48V应用的产品。最高效率是关键，因此，IR公司目前致力于开发领先的性能，使开关(如图2所示，及在长期的超基准型GaN器件中)将能够以最高效率将能量转换器最少化。然而，能量转换不仅仅是采用HVIC所驱动的低损耗MOSFET的高效模拟功率级的问题。数字电源管理是取得成功的另外一个关键点。在计算机领域，它已经成功的实现了应用，目的是利用诸如IR公司专利型、基于CHIL的数字电源管理器实现的高效多相DC-DC转换。数字电源转换的“魔力”及其强大的潜能将通过IR的专利功率级AU-ConvertiR，并结合我们目前正在开发的ControlliR产品传递到汽车市场。明年，我们很快将会发布一些这方面强大产品性能细节。

　　我们坚信，IR公司基于CHIL的数字控制器战略与我们的多相转换器方法(图4概括出其结构)相结合将实现并支持现代汽车中更高压总线的成功和总成应用。48V不仅可以让汽车更高效，而且还确定是最具前景、最简洁且最具革命性的方法，对于那些仍然更愿意采用固态内燃发动机，但又注重环保效率的驾驶员而言，这将会提供极具竞争力的产品……至少这一优势可以保留至电动汽车成为大众负担得起的更大市场那日为止。