汽车系统中的电力电子技术汽车系统，诸如引擎控制、车身控制、照明以及车辆动力学等经过了数年的发展，改善了驾驶性能、舒适程度和燃油的经济性。

1997年，平均每辆车中所采用的电子产品大约为110美元。

到2001年，这一数字已增加到1800美元，预计到2015年它将达到车辆价值的30%。

汽车系统中所采用的模拟和功率管理功能愈来愈多，为了响应此一趋势，快捷半导体将不断地开发出创新型的产品，以满足市场的需求。

历史回顾汽车中使用电子产品的时间可追溯到20世纪初，当时厂商以电动启动器来取代手摇曲柄（hand crank）。

到1960年代，随着固态电子产品的出现，汽车电子开始盛行起来。

现今，我们观察到有几股趋势正在推动着汽车市场对电子产品的需求，尤其是对功率半导体组件的需求。

这些趋势包含：（1）乘客对于舒适性和便利性功能的显著需求，例如：座椅加热和冷却，自动座椅定位，先进的照明功能以及多区的暖通空调(HVAC)。

这些系统对电力提供和电源管理的需求明显地大幅增加。

快捷半导体的整合式高侧开关等产品具有高效控制和管理上述功率负载的功能。

（2）先进的动力传动控制系统提高了燃油经济性，减少了车辆排放的废气。

这些系统必须更精确地控制燃烧过程，连续且不间断地提供状态检查，同时需要使用中的电力提供和电源管理，及维持正常运作所需的电力和模拟控制功能。

快捷半导体的40V和60V PowerTrenchR MOSFET组件，高侧开关以及智能点火产品能够满足这些要求。

（3）越来越多原本采用机械式的动力转向（power steering）等成熟的辅助系统，转而采用电子式设计。

随着发展，这些系统要求更大的电流密度和更低的功耗。

快捷半导体的30/40V MOSFET和汽车功率模块(APM)技术是提供这些应用所需的高效率和高功率密度解决方案的基础。

（4）替代性动力传动技术，如纯电动和油电混合推进系统等，需要大幅地提升汽车的电力处理能力，因而这些替代技术就需要能够处理1到40kW的DC/DC转换器等新型汽车电子产品。

根据车辆的结构，需要使用整合式启动发电机(Integrated Starter Generator, ISG)和牵引马达逆变器(tractionmotor inverter)来处理5至120W或更高功率。

快捷半导体的PowerTrench MOSFET、场截止IGBT(field-stop IGBT)、智慧开关和闸极驱动器等通过汽车产品认证的电力电子产品，可以以独立的离散组件或先进的模块形式供货，为这些先进系统提供了一个具有成本效益的解决方案。

使用快捷半导体智能功率组件和电力技术的系统A. 汽车照明为了处理系统性和随机性的故障，原本是机械式的开关和继电器正逐渐被离散的MOSFET、智能MOSFET以及IGBT等电子组件所取代，以控制车灯、柴油车预热塞(glow plug)系统、点火系统以及马达。

智能功率组件(SPD)可以在消除机械噪声和燃弧(arching)_的同时提高质量和可靠性。

图1所示的智能功率组件是一款N沟道功率场效应晶体管(FET)，具有一个内部电源、电流受控输入、带负载电流感测的诊断回馈功能以及嵌入式保护功能。

功率级(power stage)、控制、驱动以及保护电路是采用芯片堆栈(chip-on-chip)和芯片并排(chip-by-chip)技术整合而成的。

图1智能MOSFET的方块图。

SPD的主要目标是取代汽车继电器和熔断器(fuse)。

藉由智慧功率开关，而可以将开关和保护功能结合在单一芯片中。

图2. 智能点火系统。

因此，从整体的成本角度来看，SPD可以提供较继电器和熔断器(fuse)更便宜的解决方案。

除了保护功能外，SPD具有减少线束(wiring harness)，加入诊断功能和实现脉宽调变的更多优势，所以，SPD不仅能够保护自身，还能保护与其相连的负载和邻近的组件。

图3. 车灯控制系统。

依照应用系统的需求，可以使用带有一些外部组件的应用电路来维持系统正确地运作。

B．离散式功率组件(DC-DC转换器)目前，我们环境所面临到的一项最具有急迫性的问题，就是作为运输主要能源之一的碳氢化合物燃烧所产生的污染。

混合动力车(HEV)和电动车(EV)正逐渐成为“绿色”运输的替代性动力传动系统。

这些车辆不仅率涉到牵引部件，而且推动了电能转换的新应用。

混合动力车辆内的一种关键模块便是用于电气负载辅助电源的DC/DC转换器，因为HEV和EV仍然使用头/尾灯、加热风扇以及音频系统等辅助负载。

该转换器必须具有处理从高电压转换至12V 电压的能力。

图4. HEV/EV电气负载需要能量转换。

因此，应用工程师们将注意力集中在HEV和EV系统中的MOSFET和IGBT等高电压功率组件上。

有几种方法可用来控制从高电压到低电压的能量转换。

通常使用高电压和低电压之间隔离的全桥和相移(phase shift)技术，这类应用中的辅助功率转换器代表着电池组对高压直流总线的高效管理，根据电动马达的功率不同，范围在200V至800V之间。

此外，系统的效率是一个关键特性，并且是设计选择的重要参数。

转换器的设计趋势是在宽负载条件范围内达到90%或者更高的效率。

转换器的可靠性是十分重要的，因为故障会引起12V电池的放电，从而造成所有靠电池电力驱动的附件的故障。

另一方面，也不能忽略效率和电磁兼容(EMC)问题。

因此，主动式箝位等软开关和能量回收技术非常有益。

C. 汽车功率模块(APM)高压(600 VDC)和低压(12-24VDC)系统都可以使用APM。

快捷半导体为汽车市场提供用于高压和低压系统的APM组件，它们几乎都用来驱动三相马达和致动器(actuators)。

在两种电压范围内，APM都采用直接键合铜(DBC)技术来实现热传导。

低压(LV)意味着以更大的电流来驱动通常与该类型解决方案相关联的较大负载。

低压应用使用30V至60V N沟道MOSFET。

动力转向和电驱动液压转向是两种最普遍的LV-APM解决方案。

峰值相位电流能够达到100A以上。

这需要大的铜质内部结构，用于裸晶焊盘(die paddle)和电流通路以及多个大电流的打线接合(high-currentwire bond)。

正温度系数(PTC)组件、被动EMC组件、分流器都达到了更高的集成度，也改善了可靠性。

动力转向中使用APM是实现机电一体化封装和低系统成本的关键。

在静态停车时，相较于液压系统，降低寄生引擎负载可以缩小车辆引擎的尺寸，以便让车子更小。

低压模块不仅应用于EV/HEV车辆，也应用在传统的内燃式引擎汽车上。

高压应用主要包括由高电压轨或主电池组供电的泵和风扇。

典型的峰值相位电流<20A。

此一市场中的模块化解决方案与许多工业市场中的应用相似，并使用类似的功率模块，IGBT 和MOSFET解决方案均可使用。

典型的模块有高压闸极驱动器，以及在共桥回路处用于诊断的某种程度之电流感测。

高压结构必须要考虑到引脚间隙的要求。

在热管理方面，产品分为带或不带增强热传导的类型。

模块化解决方案是小型集成解决方案的关键，功率处理组件位于致动器附近，甚至在变速箱等极端的环境中工作。

高压模块几乎都用于EV/HEV车辆中。

详细的应用范例A. 汽车前灯应用车前灯是汽车的最重要部件之一。

车灯应用中电池的额定电压(nominal voltage)是13.2V。

但是，电池的电压位准随着驾驶条件而变化。

高输入电压(13.2V ~ 16V)可能会影响到车前灯的耐用性。

如图5所示，电池电压升高6%，车灯的使用寿命减少50%。

图5. 各种电压下的车灯寿命曲线。

方程式1其中，Lamplife(车灯寿命)为小时数,VNOM =额定电压,, VBAT =电池电压此外，在打开车前灯时，大的涌入电流会缩短车灯的使用寿命，因为灯泡灯丝的热阻低。

例如：55/60W灯泡在13.2V下的使用寿命是1000小时。

使用如下的方程式1：方程式214V下灯泡的寿命时间约为465小时，因而，将PWM控制应用于带有智能MOSFET的灯泡，可以延长灯泡的使用寿命。

为了延长车前灯的使用寿命，在电池电压高于额定电压13.2V时，使用限制电流的方式来实现功率调节。

使用PWM来控制输入电压。

方程式3使用负载比(duty ratio)定义了RMS 电压：方程式3方程式4此处，D是负载比，VBAT是电池电压。

当电池电压高于额定电压时，确定了PWM负载比，如图6所示。

图6. 不同电压下的稳定功率消耗。

方程式5其中：VNOM = 额定电压VRMS = RMS电压VBAT = 电池电压RLAMP = 灯泡电阻这种计算负载比的方法是采用PWM平方或者电压的二次式（square PWM or quadraticvoltage regulation）使用软启动方式来限制起动电流(run-up current)。

在一种测试应用中，使用PWM在100Hz频率下实现功率调变。

图5显示电压处于额定电压附近时功率没有上升，从而保护了灯泡。

图7. 不受限与受限制的启动电流比较。

灯使用智能功率组件和PWM技术，实现以下功能：（1）在安装位置减小熔断器和熔断器座的尺寸（2）防止负载线出现超载或短路（3）减少电缆和连接器（4）改善灯的故障诊断，检查它们的功率额定值是否正确（5）通过功率调整并使用PWM对灯进行预热，延长使用寿命（6）通过启动其它具有相同亮度且未在使用中的灯来实现故障管理。

（7）通过优化开关边缘(switching edges)和错时开关(time-staggered switching)方式减小电磁辐射。

在车前灯开启的初期阶段，由于灯泡灯丝的热阻低，会出现大的涌入电流。

为了降低涌入电流，可以使用智能功率组件来实现软启动。

图7(a)所示为直流电源下灯泡的典型起动电流(run-up current)。

峰值电流达到稳态电流的10到14倍，持续时间为数毫秒。

在250ms到500ms后，启动过程结束。

理论上，由于10倍左右的涌入电流缩短了灯泡的寿命。

因此，软启动过程应达到500ms，以延长灯的寿命，如图7(b)所示。

B. 用于DC-DC应用的高压离散式解决方案在现今的HEV和EV中，高压电池组为电气牵引系统提供行驶所需的能量。

普通的12V系统仍然存在，为平常的汽车负载(为头/尾灯、加热风扇以及音频系统等所有电气负载供电的辅助电池)提供能量，而高压总线则为牵引逆变器和马达供电。

如下所列的情况，需要使用汽车DC-DC转换器。

建议DC/DC转换器应具有以下的关键功能：(1) 一个输入的低压端额定电压为12V，在充电和放电过程中在9V到16V之间变化。

(2) 根据使用者情况，额定高侧电压可以从144V变化到288V或更高。

(3) 额定充电和放电功率为1.5kW。