電力電子技術(shù)在汽車42V直流總線下的應用

從當前的應用現(xiàn)狀看，日本汽車廠家多采用永磁無刷直流機；大部份美國廠家選用異步機；而在歐洲，兩種電機都有應用。當然，另外兩種電機也處于很活躍的試驗研究階段。最終的電機選擇將依賴于功率等級、電機及驅(qū)動電路的成本，電機與發(fā)動機的耦合方式，以及系統(tǒng)性能的全面考慮。

2. 功率驅(qū)動及控制
一體化起動/發(fā)電機(ISA)系統(tǒng)包括電機與相關(guān)的驅(qū)動與控制系統(tǒng)，如圖2所示。功率驅(qū)動是連接蓄電池與電機的界面。它實現(xiàn)直流與交流之間的能量轉(zhuǎn)換。

nbsp; 對于一體化起動/發(fā)電機系統(tǒng)，功率驅(qū)動是一個更嚴峻的挑戰(zhàn)。由于驅(qū)動及控制系統(tǒng)占整個一體化起動/發(fā)電機系統(tǒng)價格的60%到90%。因此，對于對價格非常敏感的汽車工業(yè)，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，降低成本成為一個贏得市場的關(guān)鍵。

從性能及導熱設計的角度，功率元件的尺寸越大越好。而從價格上看，當然晶片的尺寸越小越經(jīng)濟。所以，功率驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)化設計至關(guān)重要。

在汽車應用中，由于直流總線的電壓是42V，因此對于這一大電流小電壓的應用領(lǐng)域，MOSFET是當然的選擇。然而，因為前機蓋下的工作溫度在 到+ 之間，這對MOSFET提出了非常高的要求。同時，由于電機的頻繁起停和負載變化，瞬態(tài)電流會達到穩(wěn)態(tài)電流的幾倍。因此，對元件的過流能力及散熱設計都要有較高要求。

此外，MOSFET的導通電阻要盡量減低以達到降低導通損耗的目的。而導通電阻和擊穿電壓成反比，因而，MOSFET的擊穿電壓要盡量低。但是，電路中的雜散電感會在MOSFET關(guān)斷過程中引起電壓過沖而使MOSFET工作于雪崩狀態(tài)，從而使開關(guān)損耗增加。因而，從減低開關(guān)損耗的角度看，擊穿電壓要高才好。將這兩個要求折衷考慮，擊穿電壓75V到100V的MOSFET為較優(yōu)化的選擇。

另外，散熱及可靠性也都須在元件選擇及系統(tǒng)設計中給以考慮。不僅如此，在這一應用中，采用單一的大尺寸MOSFET成本較高。為降低價格，常采用小尺寸MOSFET并聯(lián)以滿足功率要求，所以，元件間要有很好的參數(shù)一致性，并且要合理布局電路來均布雜散電感，以防負荷不均勻引起元件損壞。

國際整流器(IR)公司針對這一應用設計了幾種MOSFET，例如 IRBT2907，IRFB3808及更新型的針對汽車應用設計的溝道形MOSFET。這些產(chǎn)品的共同特點是：極低的導通電阻(Rdson)，以滿足低導通損耗的要求；極小的開關(guān)時間，以減低開關(guān)損耗。同時，為降低及有效控制雜散電感，IR也提供模塊解決方案。如圖3所示，兩個并聯(lián)的MOSFET芯片構(gòu)成一個開關(guān)，其驅(qū)動電路則與其緊湊的設計在一起。這一開關(guān)可承受600A的峰值電流。

除了對功率元件的要求外，一體化起動/發(fā)電機也對控制系統(tǒng)提出了較高的要求。首先，電機要能在寬廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，并實現(xiàn)?功率控制。同時，作為發(fā)電機運行時，要同時具有穩(wěn)定42V直流總線電壓的功能；其次，要有完善的保護功能，以達到汽車工業(yè)的標準；最后還要嚴格控制價格，例如，去掉昂貴的位置傳感器，利用電流、電壓信號實現(xiàn)無位置傳感器控制，從而減低成本。V總線成為汽車工業(yè)的標準，從14V到42V的轉(zhuǎn)換仍需要很長時間。即兩種電壓系統(tǒng)要共存。所以一個直流/直流轉(zhuǎn)換器將成為必需。圖4顯示了集中式直流/直流轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)。