功率电子技术在汽车系统中的应用

的使用寿命。为了延长车前灯的使用寿命，在电池电压高于标称电压13.2V时，使用限制电流的方式来实现功率调节。使用PWM来控制输入电压。等式3使用占空比定义了RMS电压：

　　此处，D——占空比，VBAT——电池电压。

　　当电池电压高于标称电压时，如图9所示，确定PWM占空比。

　　图9 不同电压下的稳定功率消耗。

　　此处：VNOM——标称电压;VRMS ——RMS电压;VBAT ——电池电压;RLAMP ——灯泡电阻。

　　这种计算占空比的方法是采用PWM平方或者电压的二次式(square PWM or quadratic voltage regulation)使用软启动方式限制涌入电流。在一种测试应用中，使用PWM在100Hz频率下实现功率调制。图9显示电压处于标称电压附近时功率没有上升，从而保护了灯泡。

　　图10 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10(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10(b)所示。

　　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、本文总结

　　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。

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或多或少的挑战。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