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面向電動(dòng)汽車(chē) (EV)、混合動(dòng)力汽車(chē)和汽油車(chē)的電力電子市場(chǎng)持續增長(cháng)，其中的硅 (Si) 和寬禁帶半導體器件，如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 器件，正在吸引著(zhù)人們的極大興趣。 混合動(dòng)力汽車(chē) (HEV) 電源系統的電壓要求從12V到800V不等，電流更是達到數百安培。 從性能上來(lái)說(shuō)，寬禁帶半導體器件是很好的替代品，它們提供更高的擊穿電場(chǎng)、導熱率以及飽和電子漂移速度。但在消費類(lèi)車(chē)輛的電力電子系統中，它們的成本劣勢會(huì )蓋過(guò)它們的性能優(yōu)勢。 與硅 (Si) 和砷化鎵 (GaAs) 工藝相比，寬禁帶SiC或GaN器件帶來(lái)了更高的效率、開(kāi)關(guān)頻率、工作溫度和工作電壓，以解決功率轉換問(wèn)題。但另一方面，它們往往太過(guò)昂貴，無(wú)法用于汽車(chē)應用。 電動(dòng)車(chē)通常就是全混合動(dòng)力汽車(chē) (FHEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē) (PHEV) 和輕度混合動(dòng)力汽車(chē) (MHEV) 這幾種。 普通汽車(chē)有600個(gè)MOSFET，高端汽車(chē)有100個(gè)MOSFET，而48V輕混汽車(chē)有400個(gè)MOSFET。硅MOSFET器件解決了高電壓和成本問(wèn)題。在解決了過(guò)電壓不平衡問(wèn)題后，串聯(lián)配置的低電壓功率半導體器件打造出了有效的功率轉換系統解決方案，又解決了成本和效率問(wèn)題。 下面介紹了如何在48V MHEV中使用標準硅降壓轉換器MOSFET電路。這個(gè)48V的電池系統能夠承受高輸入電壓的負載突降瞬變，同時(shí)以低電磁干擾 (EMI)、低占空比和高效率運行。 并聯(lián)MOSFET 電動(dòng)助力轉向、泵、風(fēng)扇和車(chē)身應用，通過(guò)48V MOSFET車(chē)輛系統驅動(dòng)應用（圖1）。 
圖1： MHEV提供更符合汽油燃料排放標準的選項。（圖源：Smile Fight/Shutterstock） 在這些系統中，MOSFET在運行過(guò)程中會(huì )承受大量的機械應力，因為隨時(shí)都會(huì )發(fā)生很多的膨脹和收縮。汽車(chē)使用的材料包括銅、鋁和FR4。所有這些材料都有不同的熱膨脹系數。 主要的MOSFET器件必須從電池向系統傳導大電流。如果這些MOSFET采用并聯(lián)配置，那么系統就要努力使電流和溫度的不平衡得到控制（圖2）。
圖2： MHEV 48V系統，其中三個(gè)并聯(lián)的MOSFET在PCB面上形成一個(gè)對稱(chēng)的回路。(圖源：作者） （圖2）顯示了三個(gè)環(huán)形配置的MOSFET。在這個(gè)配置中，MOSFET的源極連接到一個(gè)星點(diǎn)。與漏極回路的對稱(chēng)連接用于連接MOSFET之間的電氣和熱路徑。 MOSFET必須能夠耗散盡可能多的熱量，以?xún)?yōu)化其性能，并使最熱MOSFET的結溫保持在175℃的最高安全溫度以下。 為此，就需要讓每個(gè)MOSFET的安裝基座與所有其他MOSFET的安裝基座都匹配，并且盡量減小基座間的熱阻。每個(gè)MOSFET對稱(chēng)安裝，并且盡可能靠近導熱表面。 低熱阻路徑使MOSFET之間的熱量容易流動(dòng)。熱流與電流類(lèi)似，因此，MOSFET的熱粘合點(diǎn)或漏極片應在主要熱環(huán)路上。當組內所有MOSFET之間的熱量容易流動(dòng)時(shí)，MOSFET的安裝基座溫度就會(huì )非常穩定。 這種安排可以實(shí)現更好的芯片溫度匹配，而不是平等的電流均流。 輔助48V系統 制動(dòng)動(dòng)作使能量從內燃機流向48V電池，發(fā)動(dòng)機扭矩傳遞給作為發(fā)電機的皮帶傳動(dòng)啟動(dòng)/發(fā)電一體化電機（BSG）。通過(guò)硅絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或MOSFET本征二極管的三相逆變器對BSG電波形整流，用直流電為48V電池充電（圖3）。
圖3：輔助48V系統（圖源：作者） 在啟-停期間，能量從48V電池流向BSG，充當電機。在此期間，48V電池為BSG提供電能，并通過(guò)三相硅功率晶體管逆變器汲取電能。一個(gè)DC-DC降壓轉換器將48V電壓降低到16V，為3相逆變器柵極驅動(dòng)器供電。這將為BSG提供正確的運動(dòng)順序。 BSG將完成三項任務(wù)：在啟-停期間啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機，通過(guò)提高扭矩改善加速性能，以及通過(guò)制動(dòng)動(dòng)作為電池充電。48V電池還為泵、風(fēng)扇、壓縮機、電動(dòng)助力轉向架以及輔助啟-停系統供電。一個(gè)48V電池可以用四分之一的電流提供與12V電池同樣的功率。 使用48V電池 鋰離子MHEV電池規格可以是1kWh、48V或21Ah�！禫DA320: Electric and Electronic Components in Motor Vehicles 48V On-Board Power Supply》文件建議電池的工作電壓范圍在36V和52V之間。該規范允許20V和60V之間的限制電壓模式以及高達70V的動(dòng)態(tài)過(guò)壓。60V的最大工作電壓是人類(lèi)操作者允許的最大安全接觸電壓。 DC-DC降壓轉換器的穩健性 圖2中的48V降壓轉換器可承受高達70V的尖峰電壓和高達40ms的電應力。超過(guò)這個(gè)限制會(huì )導致永久性的設備損壞。因此，降壓轉換器的絕對最大額定輸入電壓需要有超過(guò)70V的裕量。 汽車(chē)電力電子需要低EMI EMI是一種源于外部的干擾。這種耦合干擾通過(guò)電磁感應、靜電耦合或傳導來(lái)影響電路。汽車(chē)電源管理電子設備必須有EMI保護。 在汽車(chē)環(huán)境中，48V降壓轉換器必須符合EMI的CISPR25 Class 5規范。固定頻率轉換器通常在傳導和輻射測試中衰減尖峰�？烧{節的DC-DC頻率允許工程師在通過(guò)EMI測試時(shí)過(guò)濾特定頻率。區別在于，恒定導通時(shí)間架構表現出的那些可變頻率很少有良好的EMI性能。 48V前端降壓轉換器 汽車(chē)的許多電子控制單元 (ECU)，具有良好的EMI性能。穩健的前端48V降壓轉換器接口能夠承受電池的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓條件。此外，該接口支持各種16V至20V的輸出電壓、電機控制柵極驅動(dòng)器，并且在12V電池斷開(kāi)時(shí)提供MCU備用電源。 48V降壓轉換器與12V降壓轉換器相比，往往具有更高的開(kāi)關(guān)損耗（公式1）。 PSW = ½ x C x V2 x f Eq. 1 其中C是寄生電容 V是降壓轉換器的輸出 f是作業(yè)頻率 通過(guò)降低作業(yè)頻率 (f)，可以減少開(kāi)關(guān)損耗。此外，采用具有更小最低限值的先進(jìn)工藝，也可以降低寄生電容 (C)�？刂萍夹g(shù)可以幫助實(shí)現低占空比運行。例如，16V的輸出和48V的輸入會(huì )形成（公式2）。 D = BUCK1/ BUCK2 Eq. 2 D = 16 / 48 D = 0.33 其中D是占空比 BUCK1和BUCK2是額定輸出電壓 根據這個(gè)計算，降壓轉換器的高壓側晶體管的導通時(shí)間占33%，而低壓側晶體管的導通時(shí)間占67%�？梢园凑者@個(gè)計算結果來(lái)設計功率晶體管的尺寸，以獲得最佳性能。 結論 硅MOSFET器件解決了高電壓和成本問(wèn)題。在解決了過(guò)電壓不平衡問(wèn)題后，串聯(lián)配置的低電壓功率半導體器件打造出了有效的功率轉換系統解決方案，又解決了成本和效率問(wèn)題。 對于汽車(chē)市場(chǎng)，較低額定電壓的功率半導體器件因提供高效、低成本的功率轉換解決方案而受益。物美價(jià)廉的低電壓系列硅設計比較符合汽車(chē)環(huán)境的性?xún)r(jià)比要求。 來(lái)源：貿澤電子 作者：Bonnie Baker |
