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面向電動汽車 (EV)、混合動力汽車和汽油車的電力電子市場持續增長，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，正在吸引著人們的極大興趣。 混合動力汽車 (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。 從性能上來說，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、導熱率以及飽和電子漂移速度。但在消費類車輛的電力電子系統中，它們的成本劣勢會蓋過它們的性能優勢。 與硅 (Si) 和砷化鎵 (GaAs) 工藝相比，寬禁帶SiC或GaN器件帶來了更高的效率、開關頻率、工作溫度和工作電壓，以解決功率轉換問題。但另一方面，它們往往太過昂貴，無法用于汽車應用。 電動車通常就是全混合動力汽車 (FHEV)、插電式混合動力汽車 (PHEV) 和輕度混合動力汽車 (MHEV) 這幾種。 普通汽車有600個MOSFET，高端汽車有100個MOSFET，而48V輕混汽車有400個MOSFET。硅MOSFET器件解決了高電壓和成本問題。在解決了過電壓不平衡問題后，串聯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48V的電池系統能夠承受高輸入電壓的負載突降瞬變，同時以低電磁干擾 (EMI)、低占空比和高效率運行。 并聯MOSFET 電動助力轉向、泵、風扇和車身應用，通過48V MOSFET車輛系統驅動應用（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在運行過程中會承受大量的機械應力，因為隨時都會發生很多的膨脹和收縮。汽車使用的材料包括銅、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，其中三個并聯的MOSFET在PCB面上形成一個對稱的回路。(圖源：作者） （圖2）顯示了三個環形配置的MOSFET。在這個配置中，MOSFET的源極連接到一個星點。與漏極回路的對稱連接用于連接MOSFET之間的電氣和熱路徑。 MOSFET必須能夠耗散盡可能多的熱量，以優化其性能，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MOSFET對稱安裝，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。熱流與電流類似，因此，MOSFET的熱粘合點或漏極片應在主要熱環路上。當組內所有MOSFET之間的熱量容易流動時，MOSFET的安裝基座溫度就會非常穩定。 這種安排可以實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 制動動作使能量從內燃機流向48V電池，發動機扭矩傳遞給作為發電機的皮帶傳動啟動/發電一體化電機（BSG）。通過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，并通過三相硅功率晶體管逆變器汲取電能。一個DC-DC降壓轉換器將48V電壓降低到16V，為3相逆變器柵極驅動器供電。這將為BSG提供正確的運動順序。 BSG將完成三項任務：在啟-停期間啟動發動機，通過提高扭矩改善加速性能，以及通過制動動作為電池充電。48V電池還為泵、風扇、壓縮機、電動助力轉向架以及輔助啟-停系統供電。一個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。《VDA320: 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的動態過壓。60V的最大工作電壓是人類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。超過這個限制會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70V的裕量。 汽車電力電子需要低EMI EMI是一種源于外部的干擾。這種耦合干擾通過電磁感應、靜電耦合或傳導來影響電路。汽車電源管理電子設備必須有EMI保護。 在汽車環境中，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。可調節的DC-DC頻率允許工程師在通過EMI測試時過濾特定頻率。區別在于，恒定導通時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和動態電壓條件。此外，該接口支持各種16V至20V的輸出電壓、電機控制柵極驅動器，并且在12V電池斷開時提供MCU備用電源。 48V降壓轉換器與12V降壓轉換器相比，往往具有更高的開關損耗（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是作業頻率 通過降低作業頻率 (f)，可以減少開關損耗。此外，采用具有更小最低限值的先進工藝，也可以降低寄生電容 (C)。控制技術可以幫助實現低占空比運行。例如，16V的輸出和48V的輸入會形成（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 根據這個計算，降壓轉換器的高壓側晶體管的導通時間占33%，而低壓側晶體管的導通時間占67%。可以按照這個計算結果來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題。在解決了過電壓不平衡問題后，串聯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題。 對于汽車市場，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。物美價廉的低電壓系列硅設計比較符合汽車環境的性價比要求。 來源：貿澤電子 作者：Bonnie Baker |
