智能大电流功率开关可有效降低汽车电子系统成本

人们对半导体功率开关和继电器的比较常常仅关注开关本身的成本，这仅对于那些只关心开关功能的应用而言是合理的。而当某个应用还能利用一个智能半导体功率开关提供的附加功能时，则应该基于系统总成本对两者进行比较。

在计算系统成本时，不仅需要考虑智能半导体功率开关本身的纯功能优势，而且还应该考虑它带来的一些其它好处，如对功率要求的降低和最终汽车耗油量的降低。现在，汽车业界打算开发一种每百公里仅消耗三升汽油(相当于每加仑80英里)的汽车，其较低的功率预算和由此带来的成本节省不应当被忽视。

半导体功率开关具有更多功能

在汽车应用中，智能功率开关的功能可基本上分为直接开关功能和附加功能。此外，半导体功率开关的使用还可能产生某种削减其它区域成本的替代效果。例如，如果智能功率半导体开关有助于降低整个系统的功耗，那么也许我们可以采用更小功率的汽车发电机。

与机械开关、继电器或分立元件的作用一样，开关功能指的是接通或切断一个负载。例如，燃料泵可以借助功率半导体开关静静地打开或关闭，但除此之外，智能功率半导体开关还能提供很多附加的功能。采用半导体功率开关来替代继电器意味着，短路再也不会烧毁开关、负载、电缆和保险丝了。英飞凌科技公司的智能功率半导体开关设计用于在发生短路时保护系统不受损害，当然也包括所有馈线上的电感元件。这种开关还具有抗过热功能：即一旦温度超过某个界限，它们将有选择性地断开任一负载的电流。至于温度上升是由电流过大引起的还是由外部热源的影响所引起的，对这些开关来说没有分别。

智能功率半导体开关提供的另外一个附加功能是过压保护。所有的PROFET和HITFET功率半导体开关(图1)都具有动态过压(例如负载陡减或出现Schaffner脉冲)保护功能。这个功能包括关断感性负载在内。在此类情况下，在开关两端产生的负向电压峰值可通过动态齐纳嵌位限制在-50或-60V的典型值。与机械开关不同的是，它不需要额外的元件。

智能功率半导体开关也能提供诊断功能。这一功能在同安全有关的应用系统中和系统维修中尤为有用。由于诊断报告可以提供有关负载中断的数据，临时性故障数据可得到记录和存储，而这将大幅度简化故障诊断和定位过程。汽车司机和维修人员难以发现的那些故障(如λ探针故障或washer管加热器故障)现在通过这种方法可以很容易地找到。

一些半导体功率开关可以设计在高频下工作，它们可用来实现一些切换频率非常高的应用，如刹车灯或PWM(脉宽调制)开关。特别值得一提的是，PWM已经开创了调光灯、驱动模拟阀门或马达速度控制等新的应用。PWM使得我们可以很容易地对电流和功率进行监控。

要控制大电流，首先必须知道电流的大小。借助PROFET和HITFET系列的新型开关，流过开关的电流可以通过一个相对于地的线性模式的感应信号估计出来。这使得过载或隐性短路可以检测出来，一旦它们超过所允许的最大持续时间，就立即把开关断开。这种方法可在无须使用保险丝的情况下提供对过热和火灾的防护。此外，电缆导体的横截面可以做到与额定负载电流完全匹配，这一节省可大大降低整个系统的成本。

智能负载控制可降低功率需求

尽管所有用户都乐于利用功率半导体开关提供的附加功能，但对于这些功能到底可以带来多大的成本效益却并未能取得共识。不过，其替代价值显示其具备明显的，这一点可以通过毋庸置疑的数字显示出来。

这些好处可以通过油泵的例子展示出来。不论车速多高，油泵和发动机所消耗的功率都在80到250瓦之间，具体数值同设计有关。发动机输出设计成在全速状态下需要最大流量燃油。当引擎闲置时，多余的燃油通过安全阀返回到油箱，此时操作油泵只需要几瓦的功率(图2)。因此如果油泵能设计成按实际需要提供燃油，那么该发动机的平均功耗将被减少到5瓦到50瓦之间，具体数值取决于油泵容量。

采用智能控制至少可以把油泵发动机的功耗减少100瓦。一般说来，一辆汽车发电的效率相对较低：功率每增大100瓦，每百公里耗油量增加0.15升。因此节省这100瓦功率相当于把车重减少50千克。

表1列出了各种可以通过智能开关来降低功耗的汽车负载。目前，由于很多这些负载仍通过内燃机采用机械方式驱动，因此控制起来比较困难。冷却水泵是一个便于通过电力驱动装置进行控制或调节的设备，另外一个适合的应用是液压方向盘控制：仅当导向轮需要转向时才消耗功率。与之相比，即使在直线行使时，现在的轿车也总是需要消耗一千瓦的功率。

表中给出的数字是近似值，而且显然随车型有很大变化。但是，它们清楚地表明，在中程或豪华汽车中仅仅在驾驶系统中就可以节省几百瓦。在这些类型的车辆中，耗油量可以因而从目前的每百公里14升减少到大约6升。

为说明节省燃料的潜力，图3显示了一款中档车辆由发动机(80A)和空调系统引起的额外燃料消耗。为了便于测试，这两个系统是相互断开的，这样，能量都只由电池提供。在这些条件下，我们通过EUDC循环来确定耗油量。可以看出，当这个周期开始时，即在平均速度较低时，耗油量很大。随着这个周期时间的延长，在较高速度阶段，额外消耗降低到大约每百公里2-3升。我们发现，对一个输出功率默认为1千瓦左右的发电机，上面提到的每百公里额外消耗是非常保守的估计，仅在最优引擎速度时才能达到。

依靠电能管理进一步降低系统成本

降低汽车的电能需求量意味着：可以采用功率更小的发动机、电池可变得更小、电缆可具有更小横截面、以及汽车总重量可以降低。

这可以降低汽车设计和制造的总成本。由于功率半导体开关可以在短路和过载(例如油泵被阻塞时)情况下关断，很显然，我们可以相应地减小负载或泵。这反过来又节省了泵的设计成本，同时也减小了泵的重量。

有几个经验规则可用来估算设计成本。每降低一千克的重量，可以把一辆车的设计成本减少10到20DM(或每磅3-6美元)，每节省一瓦特的功率，可以降低成本5-10DM(3-6美元)。

如果把一辆汽车中的所有电气负载加在一起，那么它对总静态功率的需求将在一千瓦左右。在新型的大电流应用系统中，这个数字可以提高几倍。如果所有负载都可以同时接通，那么发动机、电池和电缆必须设计得可以承受这个最大负载。但是，如果能够按一定次序地和智能地接通负载，那么一些大电流负载也就没必要同时接通，从而可大幅度降低最大功率需求。为实现这一点，可以选择性地关断一些负载，也可以通过PWM(图4)把负载减小到最小需求值。

例如，在ABS泵工作时，后窗的加热元件可以暂时关断。为减小高峰电流增大所导致的电压下降，各种电机也可以按不同的时延进行切换。这种电源管理方法也可以用于汽车防盗。同样的方法可用于在发生意外时有选择性地切断负载和动力线，从而大大增强整部车辆的安全和防盗能力。

智能功率半导体开关可降低油耗

在汽车工业中使用智能功率半导体开关已是一个明显的趋势：不仅是用来实现一些附加的功能，而且还可用来降低成本。制造一辆以3升燃料跑一百公里的汽车意味着必须优化电气和机电负载，尤其是机电负载。这里，英飞凌的智能功率半导体开关可以帮助汽车工业实现不但在经济上可行而且在环境上友好的解决方案。

作者：Dr. Alfons Graf

总监

汽车电源创新部

英飞凌科技公司