一、導言　

汽車中使用電子產品可以追溯到使用電動啟動器替代手動曲柄的20世紀初。上世紀60年代，隨著固體電子產品的出現，汽車電子開始盛行起來。現今存在著幾種推動汽車市場對電子產品的需求，尤其是功率半導體器件需求的趨勢。它們是：

（1）對于乘客舒適性和便利性功能的顯著需求，如座椅加熱和座椅制冷、自動座椅定位、高級照明以及多區暖通空調(HVAC)。這些系統應用都需要更大的功率和更多的功率管理。飛兆半導體的集成高側開關等產品具有高效控制和管理上述功率負載的功能。

（2）先進的動力傳動系控制系統提高了燃油經濟性，減少了車輛排放。這些系統必須更精確地控制燃燒過程，連續不斷地提供狀態檢查，同時在系統需要正常運作所必需的功率和模擬控制功能。飛兆半導體的40V和60V PowerTrench MOSFET器件、高側開關以及智能點火產品能夠滿足這些要求。

（3）電動助力轉向等成熟的輔助系統正在越來越多地從機械式轉向電子式。隨著發展，這些系統要求更大的電流密度和更低的功率消耗。飛兆半導體的30/40V MOSFET和汽車功率模塊(APM)技術是提供這些應用所需的高效率和高功率密度解決方案的基礎。

（4）電動和混合電動推進系統等替代動力傳動系技術需要顯著增加汽車的功率處理能力，需要能夠處理1kW~40kW的DC/DC轉換器等新型汽車電子產品。根據車輛的結構，需要使用集成化混合動力總成(Integrated Starter Generator, ISG)和牽引馬達逆變器來處理5kW~120kW或更高功率。飛兆半導體的PowerTrench MOSFET、場截止IGBT、智能開關和柵極驅動器等通過了汽車產品認證的功率電子產品，采用分立或先進模塊形式提供，為這些先進系統提供了高成本效益解決方案。

二、使用飛兆半導體智能功率和功率技術的系統　

1、 汽車照明　

為了處理系統性和隨機性故障，使用分立MOSFET、智能MOSFET功率開關以及IGBT等電子器件來替代機械式開關和繼電器，用于控制車燈、柴油車預熱塞系統、點火系統以及馬達。智能功率器件(SPD)可以在消除機械噪聲和燃弧的同時提高質量和可靠性。

圖1所示的智能功率器件是一款N溝道功率場效應管(FET)，具有一個內部電源、電流受控輸入、帶負載電流感測的診斷反饋功能以及嵌入式保護功能。使用chip-on-chip和chip-by-chip技術集成功率級、控制、驅動以及保護電路。

圖1，智能MOSFET結構圖。

SPD的主要目標是替代汽車繼電器和熔斷器。智能開關能夠將開關和保護功能結合在單一芯片中。因此，從總體成本角度看，SPD可以提供較繼電器和熔斷器更便宜的解決方案。除了保護功能外，SPD具有減少線束，加入診斷功能和實現脈寬調制的更多優勢，所以，SPD不僅能夠保護自身，還能保護與其相連的負載和鄰近器件。可以使用帶有一些外部元件的應用電路，依照應用系統正確地運作系統。

2、分立式功率器件(DC-DC轉換器)　

目前，最重要的環境問題之一就是作為運輸主要能源之一的碳氫化合物燃燒所產生的污染。混合動力車(HEV)和電動車(EV)正逐漸成為“綠色”運輸的替代動力傳動系統。這些車輛不僅涉及牽引部件，而且推動了電能轉換方面的新應用。混合動力車輛內的一種關鍵模塊便是用于電氣負載輔助電源的DC/DC轉換器，因為HEV和EV仍然使用頭/尾燈、加熱風扇以及音頻系統等輔助負載。該轉換器必須具有處理從高電壓轉換至12V電壓的能力，如圖2所示。

圖2，HEV/EV電氣負載需要能量轉換。

因此，應用工程師們將注意力集中在HEV和HE系統中的MOSFET和IGBT等高電壓功率器件上。有幾種控制從高電壓到低電壓的能量轉換方法。通常使用高電壓和低電壓之間隔離的全橋和移相技術，這類應用中的輔助功率轉換器代表著電池組對高壓直流總線的高效管理，根據電動馬達的功率不同，范圍在200V~800V之間。

此外，系統的效率是一個關鍵特性，并且是設計選擇的重要參數。轉換器的設計趨勢是在寬負載條件范圍內達到90%或者更高的效率。

轉換器的可靠性是至關重要的，因為故障會引起12V電池的泄放，從而造成所有靠電池電力驅動的附件的故障。另一方面，不能忽略效率和電磁兼容(EMC)問題。因此，有源箝位等軟開關和能量回收技術非常有益。

3、汽車功率模塊(APM)　

高壓(600 VDC)和低壓(12-24VDC)系統都可以使用APM。飛兆半導體向汽車市場提供用于高壓和低壓系統的APM器件，它們幾乎都用來驅動三相馬達和制動器。兩種電壓范圍的APM都采用直接鍵合銅(DBC)技術來實現熱傳導。

低壓(LV)意味著以更大的電流來驅動通常與該類型解決方案相關聯的較大負載。低壓應用使用30V~60V N溝道MOSFET。電動助力轉向和電驅動液壓混合轉向是兩種最普遍的LV-APM解決方案。峰值相位電流能夠達到100A以上。這需要大的銅質內部結構，用于芯片焊盤(die paddle)和電流通路以及多個大電流粘合引線。正溫度系數(PTC)器件、無源EMC元件、分流器都達到了更高的集成度并提高了可靠性。電動助力轉向中使用APM是實現機電一體化封裝和低系統成本的關鍵。在靜態停車時，相比液壓系統，降低寄生引擎負載可以減小車輛引擎的尺寸，從而更小型車輛。低壓模塊用于EV/HEV車輛，也用在傳統的內燃式引擎汽車上。

高壓應用主要包括由高母線電壓或主電池組供電的泵和風扇。典型的峰值相位電流<20A。這一市場中的模塊化解決方案類似于許多工業市場中的應用，并使用類似的功率模塊，IGBT和MOSFET解決方案均可使用。典型的模塊有高壓柵極驅動器，以及在共橋回路處用于診斷的某種電流水平感測。高壓結構必須考慮到引腳間隙要求。在熱管理方面，產品分為帶或不帶增強熱傳導的類型。模塊化解決方案是小型集成解決方案的關鍵，功率處理器件位于制動器附近，甚至工作于變速箱等極端環境中。高壓模塊幾乎都用于EV/HEV車輛中。

三、詳細的應用示例　

1、汽車前燈應用　

車前燈是汽車的最重要部件之一。車燈應用中電池的標稱電壓是13.2V。但是，電池的電平隨著駕駛條件而變化。高輸入電壓(13.2V ~ 16V)可能影響車前燈的耐用性。如圖3所示，電池電壓升高6%，車燈的使用壽命減少50%。

圖3，各種電壓下的車燈壽命曲線。

此處，車燈壽命為小時數。此外，在打開車前燈時，大的涌入電流會縮短車燈的使用壽命，因為燈泡燈絲的熱阻低。

例如：55/60W燈泡在13.2V下的使用壽命是1，000小時。使用等式1：

14V下燈泡的壽命時間約為465小時，因而，將PWM控制用于帶有智能MOSFET的燈泡，可以延長燈泡的使用壽命。為了延長車前燈的使用壽命，在電池電壓高于標稱電壓13.2V時，使用限制電流的方式來實現功率調節。使用PWM來控制輸入電壓。等式3使用占空比定義了RMS電壓：

此處，D——占空比，VBAT——電池電壓。

當電池電壓高于標稱電壓時，如圖4所示，確定PWM占空比。

圖4，不同電壓下的穩定功率消耗。

此處：VNOM——標稱電壓；VRMS ——RMS電壓；VBAT ——電池電壓；RLAMP ——燈泡電阻。

這種計算占空比的方法是采用PWM平方或者電壓的二次式（square PWM or quadratic voltage regulation）使用軟啟動方式限制涌入電流。在一種測試應用中，使用PWM在100Hz頻率下實現功率調制。圖3顯示電壓處于標稱電壓附近時功率沒有上升，從而保護了燈泡。

圖5，不受限與受限制的啟動電流比較。

燈使用智能功率器件和PWM技術，實現以下功能：

（1）在安裝位置減小熔斷器和熔斷器座的尺寸；

（2）防止負載線出現過載或短路；

（3）減少電纜和連接器；

（4）改善燈的故障診斷，檢查它們的功率額定值是否正確；

（5）通過功率調整并使用PWM對燈進行預熱，延長使用壽命；

（6）通過激活其它具有所需亮度的可用燈，實現故障管理；

（7）通過優化開關邊緣和錯時開關方式減小電磁輻射。

在車前燈開啟的初時，由于燈泡燈絲的熱阻低，會出現大的涌入電流。為了減小涌入電流，可以使用智能功率器件來實現軟啟動。圖5(a)所示為直流電源下燈泡的典型沖擊電流。峰值電流達到穩態電流的10~14倍，持續時間為數毫秒。在250ms~500ms后，啟動過程結束。理論上，由于10倍左右的涌入電流縮短了燈泡的壽命。因此，軟啟動過程應達到500ms，以延長燈的壽命，如圖5(b)所示。

2、 用于DC-DC應用的高壓分立式解決方案　

在現今的HEV和EV中，高壓電池組為電氣牽引系統提供行駛所需的能量。普通的12V系統仍然存在，為平常的汽車負載(輔助電池為頭/尾燈、加熱風扇以及音頻系統等所有電氣負載供電)提供能量，而高壓總線則為牽引逆變器和馬達供電。

如下所示，需要使用汽車DC-DC轉換器。建議DC/DC轉換器具有以下關鍵功能：

（1）一個輸入的低壓端標稱電壓為12V，在充電和放電過程中在9V~16V之間變化。

（2）根據用戶情況，標稱高側電壓可以從144V變化到288V或更高。

（3）標稱充電和放電功率為1.5kW。

（4）開關頻率可以從50kHz變到70kHz。

（5）由于安全原因，高壓端和低壓端之間應有電隔離。在這種情況下，使用高頻變壓器。

（6）工作溫度在-40°C~85°C之間。

（7）保證期為10年或者150，000km。

（8）輸出電流在80A~150A左右。

圖6所示為DC/DC轉換器示意圖。它由一個全橋Q1-Q4通過一個高頻變壓器與一個帶有升壓電感的推挽級連接而成。在升壓模式下，使用兩個PWM信號來控制器件Q5和Q6。

圖6，全橋同步DC/DC轉換器。

如圖7所示，有幾種實現DC/DC轉換的方法。全橋方法常常用來減小車輛的重量并提高效率。

圖7，DC/DC轉換器對比輸出功率。

在這種運作過程中，DC/DC轉換器作為一種降壓轉換器，將電壓從200V或者更高，降低至12V。原則上不能驅動低壓端的開關。它們的二極管僅作為電壓整流級。為了提高整流器的效率，必須用MOSFET替代二極管。

圖8，移相時序圖。

而在高壓端，移相調制能夠實現MOSFET的零電壓開關(ZVS)，幾乎消除了開關損耗。在移相調制中，具有相同引腳的兩個器件由兩個具有50%占空比和正確死區時間設置的互補信號驅動。在兩個引腳之間，通過反饋環路將信號移相一個角度。該方法能夠實現均衡使用變壓器，防止鐵芯飽和。移相造成的交疊為降壓轉換器設定了占空比，以便調整輸出電壓。圖8為所描述的控制信號。

圖9，移相調制中的零電壓開關動作。

圖9所示為如何通過正確設定驅動全橋逆變器的兩個互補對的死區時間，讓MOSFET的導通發生在零電壓點。這是因為當先前處于導通狀態的MOSFET(例如圖11中的Q3)關斷時，由于死區時間的緣故，Q5仍然處于關斷，半橋的中點處于懸浮，并且開始出現一種自然振蕩，這是由于在半橋的中點，變壓器的泄漏電感和寄生電容構成了諧振電路。

圖10，同步整流和移相調制。

這引發VDS4以固定頻率振蕩，通過正確設定死區時間，Q4可以在零電壓處導通。最后，為了進一步提高轉換器效率，采用圖10所示的方式來控制Q5和Q6，在其續流二極管假定導通時減小電壓降。

3、汽車功率模塊　

針對大電流馬達應用的典型APM使用了六個低RDSON MOSFET，采用三個半橋方式布局，共用一個VBAT供電。可選擇的EMC元件對導通輻射進行抑制。典型的調制頻率為10kHz~15kHz。APM工作于-40°C ~125°C。內部的熱敏電阻可以在極端溫度下對輸出功率進行溫和的關斷(foldback)。電流分流器的公共返回位置可以實現電流的同步解調，將其與相位操作進行關聯。這種拓撲適用于電動助力轉向等靜態轉矩控制，或者是電動液壓助力轉向的旋轉泵等連續的速度和轉矩控制。

4、 智能IGBT點火器

流行的汽車點火結構是每個汽缸使用一個線圈(鉛筆線圈)，直接安裝在火花塞的上方，以省去點火引線。IGBT和控制裝置常常位于單獨的電子模塊中，通常為引擎或者動力傳動控制器。現今，某些線圈包含IGBT，從電子模塊中消除了高壓。然而，為了控制線圈電流，必須為控制器提供一個電流反饋信號。這樣就需要額外的引線。

為線圈的IGBT組件添加控制IC，可以在不增加引線的情況下提供其它功能。使用復雜的引線框可以將無源元件與控制芯片和IGBT封裝在一起。

圖11，智能點火(一個線圈)。

注意，在圖11所示的智能鉛筆線圈連接器上，VBAT、輸入以及地線是僅有的連接。這款控制IC包含自主功能：

（1）限流，實現最長駐留時間；

（2）過壓保護；

（3）超溫保護；

（4）輸入信號完整性：

（5）抗瞬變能力；

（6）消除火花的軟關斷。

針對高壓開路電路，IGBT典型額定值在300mJ~500mJ。使用高性能線圈，提供的火花能量目標值可以達到70mJ以上，標稱線圈電流為10A。為達到此目標，控制和保護功能必須處理從冷啟動到高RPM工作的全范圍運作狀況。還可以實現其它診斷功能：

（1）初級端短路/開路；

（2）次級端短路/火花能量低；

（3）高壓開路

四、未來的挑戰

隨著電子產品在汽車中的應用持續增加，高壓和低壓應用都面臨類似的挑戰。高壓產品面臨的挑戰包括：

（1）隔離和增加熱壽命方面的封裝改進；

（2）提高IGBT性能，降低損耗；

（3）處理負載的更高相位電流的能力(大于30A)，例如：壓縮機驅動；

（4）增加自保護功能(散熱、峰值相位電流等)；

（5）改善電磁兼容性能。

低壓產品的挑戰有：

（1）改善MOSFET技術，降低硅器件成本；

（2）集成耐用的柵極驅動和智能電磁兼容控制；

（3）集成電池反向保護功能；

（4）降低散熱方面的材料成本。

五、結論

功率半導體是現今集成電子系統以期提高功能性、改善車輛性能以及提高可靠性的主要推動力量。智能功率器件已經成為配電系統中的核心構建模塊。車輛中的獨立功率電路數量已經從過去數十年間的數十個增加到現今復雜車輛中的50個以上。照明和便利性功能還將繼續發展，以滿足用戶的要求。許多使用基于極限控制的關鍵任務系統現在使用變量控制。智能功率特性的提升是必不可少的。更精確的負載反饋、診斷、故障安全功能、提高效率的精密控制、電磁兼容性以及用戶界面簡化等均有著強大的市場需求。為了達到未來的性能目標，需要改進控制芯片和獨特的IGBT/MOSFET功率器件，同時提升散熱優化和環境穩定性封裝技術。