智能大电流功率开关可有效降低汽车电子系统成本

人们对半导体功率开关和继电器的比较常常仅关注开关本身的成本，这仅对于那些只关心开关功能的应用而言是合理的。而当某个应用还能利用一个智能半导体功率开关提供的附加功能时，则应该基于系统总成本对两者进行比较。

在计算系统成本时，不仅需要考虑智能半导体功率开关本身的纯功能优势，而且还应该考虑它带来的一些其它好处，如对功率要求的降低和最终汽车耗油量的降低。现在，汽车业界打算开发一种每百公里仅消耗三升汽油(相当于每加仑80英里)的汽车，其较低的功率预算和由此带来的成本节省不应当被忽视。

半导体功率开关具有更多功能

在汽车应用中，智能功率开关的功能可基本上分为直接开关功能和附加功能。此外，半导体功率开关的使用还可能产生某种削减其它区域成本的替代效果。例如，如果智能功率半导体开关有助于降低整个系统的功耗，那么也许我们可以采用更小功率的汽车发电机。

与机械开关、继电器或分立元件的作用一样，开关功能指的是接通或切断一个负载。例如，燃料泵可以借助功率半导体开关静静地打开或关闭，但除此之外，智能功率半导体开关还能提供很多附加的功能。采用半导体功率开关来替代继电器意味着，短路再也不会烧毁开关、负载、电缆和保险丝了。英飞凌科技公司的智能功率半导体开关设计用于在发生短路时保护系统不受损害，当然也包括所有馈线上的电感元件。这种开关还具有抗过热功能：即一旦温度超过某个界限，它们将有选择性地断开任一负载的电流。至于温度上升是由电流过大引起的还是由外部热源的影响所引起的，对这些开关来说没有分别。

智能功率半导体开关提供的另外一个附加功能是过压保护。所有的PROFET和HITFET功率半导体开关(图1)都具有动态过压(例如负载陡减或出现Schaffner脉冲)保护功能。这个功能包括关断感性负载在内。在此类情况下，在开关两端产生的负向电压峰值可通过动态齐纳嵌位限制在-50或-60V的典型值。与机械开关不同的是，它不需要额外的元件。

智能功率半导体开关也能提供诊断功能。这一功能在同安全有关的应用系统中和系统维修中尤为有用。由于诊断报告可以提供有关负载中断的数据，临时性故障数据可得到记录和存储，而这将大幅度简化故障诊断和定位过程。汽车司机和维修人员难以发现的那些故障(如λ探针故障或washer管加热器故障)现在通过这种方法可以很容易地找到。

一些半导体功率开关可以设计在高频下工作，它们可用来实现一些切换频率非常高的应用，如刹车灯或PWM(脉宽调制)开关。特别值得一提的是，PWM已经开创了调光灯、驱动模拟阀门或马达速度控制等新的应用。PWM使得我们可以很容易地对电流和功率进行监控。

要控制大电流，首先必须知道电流的大小。借助PROFET和HITFET系列的新型开关，流过开关的电流可以通过一个相对于地的线性模式的感应信号估计出来。这使得过载或隐性短路可以检测出来，一旦它们超过所允许的最大持续时间，就立即把开关断开。这种方法可在无须使用保险丝的情况下提供对过热和火灾的防护。此外，电缆导体的横截面可以做到与额定负载电流完全匹配，这一节省可大大降低整个系统的成本。

智能负载控制可降低功率需求

尽管所有用户都乐于利用功率半导体开关提供的附加功能，但对于这些功能到底可以带来多大的成本效益却并未能取得共识。不过，其替代价值显示其具备明显的，这一点可以通过毋庸置疑的数字显示出来。

这些好处可以通过油泵的例子展示出来。不论车速多高，油泵和发动机所消耗的功率都在80到250瓦之间，具体数值同设计有关。发动机输出设计成在全速状态下需要最大流量燃油。当引擎闲置时，多余的燃油通过安全阀返回到油箱，此时操作油泵只需要几瓦的功率(图2)。因此如果油泵能设计成按实际需要提供燃油，那么该发动机的平均功耗将被减少到5瓦到50瓦之间，具体数值取决于油泵容量。

采用智能控制至少可以把油泵发动机的功耗减少100瓦。一般说来，一辆汽车发电的效率相对较低：功率每增大100瓦，每百公里耗油量增加0.15升。因此节省这100瓦功率相当于把车重减少50千克。

表1列出了各种可以通过智能开关来降低功耗的汽车负载。目前，由于很多这些负载仍通过内燃机采用机械方式驱动，因此控制起来比较困难。冷却水泵是一个便于通过电力驱动装置进行控制或调节的设备，另外一个适合的应用是液压方向盘控制：仅当导向轮需要转向时才消耗功率。与之相比，即使在直线行使时，现在的轿车也总是需要消耗一千瓦的功率。