功率电子技术在汽车系统中的应用

相关联的较大负载。低压应用使用30V~60V N沟道MOSFET。电动助力转向和电驱动液压混合转向是两种最普遍的LV-APM解决方案。峰值相位电流能够达到100A以上。这需要大的铜质内部结构，用于芯片焊盘(die paddle)和电流通路以及多个大电流粘合引线。正温度系数(PTC)器件、无源EMC元件、分流器都达到了更高的集成度并提高了可靠性。电动助力转向中使用APM是实现机电一体化封装和低系统成本的关键。在静态停车时，相比液压系统，降低寄生引擎负载可以减小车辆引擎的尺寸，从而更小型车辆。低压模块用于EV/HEV车辆，也用在传统的内燃式引擎汽车上。

　　高压应用主要包括由高母线电压或主电池组供电的泵和风扇。典型的峰值相位电流<20A。这一市场中的模块化解决方案类似于许多工业市场中的应用，并使用类似的功率模块，IGBT和MOSFET解决方案均可使用。典型的模块有高压栅极驱动器，以及在共桥回路处用于诊断的某种电流水平感测。高压结构必须考虑到引脚间隙要求。在热管理方面，产品分为带或不带增强热传导的类型。模块化解决方案是小型集成解决方案的关键，功率处理器件位于制动器附近，甚至工作于变速箱等极端环境中。高压模块几乎都用于EV/HEV车辆中。

　   详细的应用示例

　　1.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3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3 全桥同步DC/DC转换器。

　　如图4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4 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5 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5为所描述的控制信号。

　　图6 移相调制中的零电压开关动作。

　　图6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7 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7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。

　　2.汽车前灯应用

　　车前灯是汽车的最重要部件之一。车灯应用中电池的标称电压是13.2V。但是，电池的电平随着驾驶条件而变化。高输入电压(13.2V ~ 16V)可能影响车前灯的耐用性。如图8所示，电池电压升高6%，车灯的使用寿命减少50%。

　　图8 各种电压下的车灯寿命曲线。

　　此处，车灯寿命为小时数。此外，在打开车前灯时，大的涌入电流会缩短车灯的使用寿命，因为灯泡灯丝的热阻低。

　　例如：55/60W灯泡在13.2V下的使用寿命是1，000小时。使用等式1：

14V下灯泡的寿命时间约为465小时，因而，将PWM控制用于带有智能MOSFET的灯泡，可以延长灯泡