汽車電力電子應用管理論文

導語：汽車電力電子應用管理論文一文來源于網友上傳，不代表本站觀點，若需要原創文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

雖然車用電子在高度成長之后，所帶來的商機相當龐大，不過以現階段來看，不論是汽車廠、車用半導體廠，還是車用電子系統廠都將面臨到許多技術問題尚待解決。

這其中最重要，也是最關鍵的挑戰，就是面對在汽車上用了好幾十年的12V電壓，已經沒有辦法滿足高度電子化對于電壓的急迫需求。因此，除了必須要因應42V電壓取代12V電壓的技術問題之外，還有當汽車電源主體架構改變之后，可能要面臨到的高成本問題。由此可見，未來車用電子必須要尋求電源管理最佳化解決方案，甚至是以模擬、分離、電源MOSFET晶體管…等元件，解決車內應用與整合性的技術問題。

車用電力系統日漸短缺迫切需要新元件及新設計

越來越多的汽車電子設備，或電子系統導入車內應用之后，車用電力供應逐漸呈現不足的現象，使得汽車制造廠必須開始面對功率的控制，以及功率轉換技術提出更高的要求，借以推動車用功率半導體、相關封裝技術，能夠更進一步的往前發展，這當中所包含的領域，也不再只是功率大小，還是MOSFET（Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffectTransister；MOSFET）晶體管、絕緣閘極晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor；IGBT）及控制與保護回路整合模塊（IntelligentPowerModule；IPM）等問題。

歸納其主原因，是因為車上所使用的功率半導體元件與一般較常用的功率半導體元件比較起來，不論是對電壓或電流、開關頻率、功率損失、動態特性，甚至對于元件保護程度，都是相當嚴苛的；再加上汽車產業對于「用電」的規范，已經開始從12V提升到42V，所以對于汽車用電的要求也就更高了。另一方面，必須具備也可進行高頻切換動作及電能處理，才能使車上的電子產品，更能夠發揮輕薄短小的應用優勢，甚至是具有車上所需的高效率、信賴度與可靠性等要求。

汽車對于用電控制管理的概念成熟之后，其應用層面也越來越多；比方說，利用電力來作為汽車的制動及轉向等運用，使得汽車電力、電子技術領域開始進行革新動作，而在這場汽車電力變革的過程中，將以電子轉向或集成式啟動器交流發動機（IntegratedStarterAlternator；ISA）作為主要架構。因為這是一種完全可逆的電機系統，又可稱為交流伺服電動機，它是一種具有自動平衡式顯示設備，藉由隨動系統來確實執行元件，將放大器的輸出電壓（控制電壓）轉變為機械能，驅動滑動觸點，除了能夠讓系統持續保持在平衡狀態，還可以在高效率的狀態下，實現許多需要很大峰值功率的電子功能。

以實際例子來說明：比方說，當駕駛者在紅燈要轉為綠燈可前進時，在第一時間將發動機關閉，主要是因為當駕駛者踩下油門時，交流發電機促使汽車能夠很快地加速前進，如此一來，汽車不但能夠降低排放有害氣體，同時還能減少油料的用量。在這一方面，還能使用多余的電力來進行的各項控制，包括：電子動力轉向（EPS）、主動式懸掛系統、電子透平機輔助設備、電子閥門控制、變速空調等，因此，這對集成式啟動器交流發動機是非常重要的。

從技術門檻的角度來看，汽車集成式啟動器交流發動機主要的技術困難在于，大功率的電子控制系統是采取部分設計方式，在執行上有它的困難。換句話說，由于汽車集成式啟動器交流發動機是一個三相逆變器／整流器，除了負責對42V負載進行供電作用，或者當整流器在進行工作時，也能為36V電池進行充電之外，還必須在發動機起動時，能以逆變器方式為起動電動機進行供電的動作。從這邊就能看得出來，為了讓汽車電子系統能具有穩定的供電設計，就必須先厘清大功率電子元件，在不同應用階段應該要有不同的工作訴求。

MOSFET晶體管改造汽車電源供應系統

再來，談談功率型金屬氧化層場效晶體管（簡稱為功率MOSFET晶體管），這是一種屬于多載式導電的單極型電壓控制元件，其特性就是：開關速度快、高頻率性能好，輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩定性優良、無二次擊穿…等優點，可以提供給設計者一種高速度、高功率、高電壓，以及高增益的元件，因此在各類型小功率開關電路的應用非常廣泛。

圖說：PowerMOSFET是一種功率集成元件，它是由成千上萬個小型MOSFET并聯而成，圖中所示為N通道的MOSFET單元結構剖面示意圖。（資料來源：交通大學電子電力芯片設計與DPS控制實驗室）

這對汽車用電系統來說，由于功率MOSFET晶體管具有很強的電流管理能力，才能夠滿足集成式啟動器交流發動機必須兼具最大負載的效果及要求。換句話說，就是讓汽車能在低溫度的環境下，使內燃機具有較強的冷起動功能。不過，大部分汽車制造廠普遍認為，車用交流發動機大概只需要10kW就已經足夠，過去也許是如此；不過，這對使用42V功率系統的10kW系統，這樣肯定是不夠的，這是因為逆變器在最后產生適當的輸出電壓與馬達相聯之后，一方面要調節馬達的頻率，另一方面還要調節馬達電壓，所以每個開關接口至少要超過400A來通過峰值電流的能力，才能因應越來越強大的車用電力系統。

圖說：MOSFET晶體管提供了一個非常穩定安全操作區域（SafeOperatingArea；SOA），因為MOSFET再順向偏壓時，不需苦于二次崩潰所產生的效應，此直流與脈波的SOA優于BJT。（資料來源：交通大學電子電力芯片設計與DPS控制實驗室）

借以降低電壓功耗設計提升汽車發電機工作效率

要如何提高汽車發電機工作效率？若從降低正向電壓來思考，這或許不失為一個方法，可以藉由降低寄生電感來減少切換時產生的電壓尖脈沖。由于元件對于封裝電流感度很靈敏，因此很多人都認為模塊設計是最好的方式。不過，因為一般的模塊封裝設計方式，將影響到通過電流的能力。值得注意的一點是，雖然汽車發動機在「熱車」階段，不需要很大的電流支持，但是功率MOSFET晶體管的限定電流會因為溫度上升而有所下降，因此交流發動機的功率電路部分溫度，必須保持在比較低溫的狀態，才能維持穩定的電壓。另外，為了盡量提高額定電流，必須使用RDS（ON）較低的MOSFET晶體管，才得以滿足車用電力需求。

改進的方式則能夠以先進的封裝技術，借以提高通過電流的能力，或者是使用分離元件等技術來達成，同時還能夠盡量降低寄生電感（ParasiticInductance），良好值約為10uH20uH之間。除此之外，在電流切換過程還有更進一步的要求；簡單說，就是要針對所使用的開關頻率（一般為數千Hertz）進行最佳化動作，使逆變器或整流器能夠在很高頻率或環境溫度高達150℃的情況下，還能提供全部的功率。

如何以特殊設計方式解決車上電流需求

在多種類型的汽車中，包括：汽車、大客車、卡車…等，最主要的動力來源大都是來自于內燃機系統來供應，它的模塊設計大都是由半橋電路所組成，讓車上的元件能夠控制或驅動半橋電路中的高／低階開關設備。另外，還能控制該橋次級端上的同步整流器MOSFET，使具有兩個功率MOSFET晶體管芯片（每個為150mm），其電源母線不會受到任何電源裝置發展故障的時候而受到影響，還能在42V的電源母在線，對600A的電流進行切換動作，藉此完成匹配性的設計。

其次，則因為汽車內部的溫度或者是電壓、電流過大容易造成溫差的問題，易使車內電子設備中的材料受到影響，導致設備產生壓應力或張應力。因此，為了減少汽車電子設備的熱應力問題，通常會將MOSFET晶體管芯片安置在陶瓷基片上，這是因為陶瓷基片的溫度系數與矽的溫度系數能夠完全匹配，若采用較為先進的導線壓焊技術，特殊的架構不但能改善熱源分布，進而加強整個模塊系統的低熱組性能，使模塊能承受汽車所處的多變環境與電壓功率起伏。

再來，就是如何降低雜散電感，使雜散電感低于8nH，這對消除尖峰電壓是非常重要的。在一般設計上，為了降低電磁干擾（EMI）帶來的影響，包括：柵極驅動電路、感測電路或保護電路，都裝在一塊很小的印刷電路板（PCB）上，而后將印刷電路板蓋在模塊上，使驅動電路能夠以20kHz頻率之下，驅動這些MOSFETT晶體管，其中涉及的參數感測和轉換，都是在這塊電路板上進行。因此，除了可以降低基板及散熱器之間的抗熱阻效能之外，在與傳統模塊相比，還能夠使內部雜散電感降低60％以上，使設計及安裝過程更為簡單。

大功率MOSFET晶體管體現汽車電動轉向系統

針對汽車采用大功率逆變器／整流器等元件技術，雖然說這是最理想電路設計和實施。不過，截至目前各界還沒能夠有個最后的定論，主要的問題還持續存在著。不過，42V的集成式交流發動機將是未來電動轉向（EPS）汽車系統的關鍵所在，相信這點是不容質疑。不過，由于電流能力又會因為受到分離式的MOSFET晶體管塑料封裝技術，而有所限制。這些限制對已經在汽車市場逐漸成熟的電動轉向系統來說，將促使設計人員，將不同分離元件并聯起來一同使用，或者采取模塊的方式，才能提高分離封裝通過電流的能力，借以降低中檔及低檔電動轉向的系統成本。

大多數汽車系統中所使用的模塊，目前大部分都都是采用絕緣金屬基片（IMST）的設計方式。而在陶瓷基片方面，則是采用直接覆銅（DBC）的方式，并在厚膜基片及電流較小的情況下，才會改印刷電路板的模塊設計方式。最后，在功率逆變器封裝方面，對于中等功率和低功率，一個新的構想是將芯片封裝在引在線，這時沒有單獨的基片，MOSFET晶體管可直接安裝在同一個模塑引在線，用引線架構形成連接端子，進行外部連接到模塊的外殼上，便能達到較佳的電源管理。

圖說：因應汽車上的電源朝向低損耗化、小型化和超薄化需求，實現了優于傳統系列的超低導通電阻特性和高耐擊穿性依靠低導通電阻特性，并可以降低功耗，因而最適合用作電機驅動器、點滴器、DC/DC變換器等的開關元件。（資料來源：東芝半導體）

結論

雖然MOSFET晶體管的特性，十分適合用在下一代即將導入的42V汽車電力系統中，但是目前的元件及封裝技術，還不能夠適應汽車的使用環境，不論是市場所期望的功能、效率和可靠性都稍顯不足。因此，在汽車上導入這些新元件及封裝技術之前，主要的汽車系統、零組件，比方說，閥門控制及轉向系統，先可以用下一代電動控制及電動轉向系統取而代之，再從降低成本、減輕重量及油料消耗的概念下，發展出汽車電力系統的新技術。

最后，總成本無疑也是非常重要的。雖然說，汽車工業長久發展以來，一直就在提高性能及安全性的問題中打轉；不過，最主要的問題還是「成本」在合理范圍或不增加車價成本之下，才會為人們所接受。