汽车系统中的功率电子技术

图5，不受限与受限制的启动电流比较。

灯使用智能功率器件和PWM技术，实现以下功能：

（1）在安装位置减小熔断器和熔断器座的尺寸；

（2）防止负载线出现过载或短路；

（3）减少电缆和连接器；

（4）改善灯的故障诊断，检查它们的功率额定值是否正确；

（5）通过功率调整并使用PWM对灯进行预热，延长使用寿命；

（6）通过激活其它具有所需亮度的可用灯，实现故障管理；

（7）通过优化开关边缘和错时开关方式减小电磁辐射。

在车前灯开启的初时，由于灯泡灯丝的热阻低，会出现大的涌入电流。为了减小涌入电流，可以使用智能功率器件来实现软启动。图5(a)所示为直流电源下灯泡的典型冲击电流。峰值电流达到稳态电流的10~14倍，持续时间为数毫秒。在250ms~500ms后，启动过程结束。理论上，由于10倍左右的涌入电流缩短了灯泡的寿命。因此，软启动过程应达到500ms，以延长灯的寿命，如图5(b)所示。

2、 用于DC-DC应用的高压分立式解决方案

在现今的HEV和EV中，高压电池组为电气牵引系统提供行驶所需的能量。普通的12V系统仍然存在，为平常的汽车负载(辅助电池为头/尾灯、加热风扇以及音频系统等所有电气负载供电)提供能量，而高压总线则为牵引逆变器和马达供电。

如下所示，需要使用汽车DC-DC转换器。建议DC/DC转换器具有以下关键功能：

（1）一个输入的低压端标称电压为12V，在充电和放电过程中在9V~16V之间变化。

（2）根据用户情况，标称高侧电压可以从144V变化到288V或更高。

（3）标称充电和放电功率为1.5kW。

（4）开关频率可以从50kHz变到70kHz。

（5）由于安全原因，高压端和低压端之间应有电隔离。在这种情况下，使用高频变压器。

（6）工作温度在-40°C~85°C之间。

（7）保证期为10年或者150，000km。

（8）输出电流在80A~150A左右。

图6所示为DC/DC转换器示意图。它由一个全桥Q1-Q4通过一个高频变压器与一个带有升压电感的推挽级连接而成。在升压模式下，使用两个PWM信号来控制器件Q5和Q6。

图6，全桥同步DC/DC转换器。

如图7所示，有几种实现DC/DC转换的方法。全桥方法常常用来减小车辆的重量并提高效率。

图7，DC/DC转换器对比输出功率。

在这种运作过程中，DC/DC转换器作为一种降压转换器，将电压从200V或者更高，降低至12V。原则上不能驱动低压端的开关。它们的二极管仅作为电压整流级。为了提高整流器的效率，必须用MOSFET替代二极管。

图8，移相时序图。

而在高压端，移相调制能够实现MOSFET的零电压开关(ZVS)，几乎消除了开关损耗。在移相调制中，具有相同引脚的两个器件由两个具有50%占空比和正确死区时间设置的互补信号驱动。在两个引脚之间，通过反馈环路将信号移相一个角度。该方法能够实现均衡使用变压器，防止铁芯饱和。移相造成的交叠为降压转换器设定了占空比，以便调整输出电压。图8为所描述的控制信号。

图9，移相调制中的零电压开关动作。

图9所示为如何通过正确设定驱动全桥逆变器的两个互补对的死区时间，让MOSFET的导通发生在零电压点。这是因为当先前处于导通状态的MOSFET(例如图11中的Q3)关断时，由于死区时间的缘故，Q5仍然处于关断，半桥的中点处于悬浮，并且开始出现一种自然振荡，这是由于在半桥的中点，变压器的泄漏电感和寄生电容构成了谐振电路。

图10，同步整流和移相调制。

这引发VDS4以固定频率振荡，通过正确设定死区时间，Q4可以在零电压处导通。最后，为了进一步提高转换器效率，采用图10所示的方式来控制Q5和Q6，在其续流二极管假定导通时减小电压降。

3、汽车功率模块

针对大电流马达应用的典型APM使用了六个低RDSON MOSFET，采用三个半桥方式布局，共用一个VBAT供电。可选择的EMC元件对导通辐射进行抑制。典型的调制频率为10kHz~15kHz。APM工作于-40°C ~125°C。内部的热敏电阻可以在极端温度下对输出功率进行温和的关断(foldback)。电流分流器的公共返回位置可以实现电流的同步解调，将其与相位操作进行关联。这种拓扑适用于电动助力转向等静态转矩控制，或者是电动液压助力转向的旋转泵等连续的速度和转矩控制。

4、 智能IGBT点火器

流行的汽车点火结构是每个汽缸使用一个线圈(铅笔线圈)，直接安装在火花塞的上方，以省去点火引线。IGBT和控制装置常常位于单独的电子模块中，通常为引擎或者动力传动控制器。现今，某些线圈包含IGBT，从电子模块中消除了高压。然而，为了控制线圈电流，必须为控制器提供一个电流反馈信号。这样就需要额外的引线。

为线圈的IGBT组件添加控制IC，可以在不增加引线的情况下提供其它功能。使用复杂的引线框可以将无源元件与控制芯片和IGBT封装在一起。

图11，智能点火(一个线圈)。

注意，在图11所示的智能铅笔线圈连接器上，VBAT、输入以及地线是仅有的连接。这款控制IC包含自主功能：

（1）限流，实现最长驻留时间；

（2）过压保护；

（3）超温保护；

（4）输入信号完整性：

（5）抗瞬变能力；

（6）消除火花的软关断。

针对高压开路电路，IGBT典型额定值在300mJ~500mJ。使用高性能线圈，提供的火花能量目标值可以达到70mJ以上，标称线圈电流为10A。为达到此目标，控制和保护功能必须处理从冷启动到高RPM工作的全范围运作状况。还可以实现其它诊断功能：

（1）初级端短路/开路；

（2）次级端短路/火花能量低；

（3）高压开路

四、未来的挑战

随着电子产品在汽车中的应用持续增加，高压和低压应用都面临类似的挑战。高压产品面临的挑战包括：

（1）隔离和增加热寿命方面的封装改进；

（2）提高IGBT性能，降低损耗；

（3）处理负载的更高相位电流的能力(大于30A)，例如：压缩机驱动；

（4）增加自保护功能(散热、峰值相位电流等)；

（5）改善电磁兼容性能。

低压产品的挑战有：

（1）改善MOSFET技术，降低硅器件成本；

（2）集成耐用的栅极驱动和智能电磁兼容控制；

（3）集成电池反向保护功能；

（4）降低散热方面的材料成本。

五、结论

功率半导体是现今集成电子系统以期提高功能性、改善车辆性能以及提高可靠性的主要推动力量。智能功率器件已经成为配电系统中的核心构建模块。车辆中的独立功率电路数量已经从过去数十年间的数十个增加到现今复杂车辆中的50个以上。照明和便利性功能还将继续发展，以满足用户的要求。许多使用基于极限控制的关键任务系统现在使用变量控制。智能功率特性的提升是必不可少的。更精确的负载反馈、诊断、故障安全功能、提高效率的精密控制、电磁兼容性以及用户界面简化等均有着强大的市场需求。为了达到未来的性能目标，需要改进控制芯片和独特的IGBT/MOSFET功率器件，同时提升散热优化和环境稳定性封装技术。