總成架構(gòu)的演變——失敗的42V電池總成與成功的48V電源總線

　　48V興起

　　大約10年之后的現(xiàn)在，我們又聚焦在OEM和系統(tǒng)供應(yīng)商所探討過的——提高總成電壓的這個點上?，F(xiàn)在正在討論48V的電源總線，并且接近這個目標(biāo)，通過降低電流等級和提升電壓，更高效的支持那些最需功率的應(yīng)用和系統(tǒng)。那么，為什么在42V架構(gòu)失敗的10年之后，我們又突然寄希望于48V概念的成功呢?是什么改變了上述為42V汽車所描繪的情形呢?

　　事實上，48V概念與我們在2000年初所討論的42V的活動有著幾項明顯的差異。最大的差異是42V概念是基于對14V系統(tǒng)的革命性取代。它差不多算是采用更高壓的系統(tǒng)，省去了12V的電池和相應(yīng)的14V電源總成。48V的概念表明，現(xiàn)在可以考慮一個更具革命性的步驟，可以考慮新增而非取代。當(dāng)然，48V的成功將需要嚴(yán)格遵循引進(jìn)和執(zhí)行的方式。但是確定的是，汽車OEM已經(jīng)接受了昂貴的42V嘗試的教訓(xùn)。因此，48V電壓被視為第二條電源線，同時保留著與48V并聯(lián)的12V電池和相應(yīng)的14V電源總成。48V電源總線應(yīng)該僅支持一部分應(yīng)用，因此，要在更高的功率級上得以應(yīng)用，需要做出很大努力，例如利用逆變器變速驅(qū)動，提高電機(jī)的效率來使整個汽車油耗提升并降低排量。同時，所有其它應(yīng)用和系統(tǒng)僅停留在14V總線上，從而可以允許對于現(xiàn)有高性價比產(chǎn)品的繼續(xù)使用，而這些產(chǎn)品此前是為14V產(chǎn)品建立和設(shè)計的，基本上不會受到48V要求的任何影響。與把汽車中所有的元件都用更高電壓總線的產(chǎn)品取代相比，這已經(jīng)實現(xiàn)了最大的成本節(jié)約。48V概念增加了一個電源總線，它通過來源于12V鉛酸電池的降壓/升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器來生成。至少在初始階段，我們并沒有去深入調(diào)查48V電池，然而，在后面的第二步中，48V的鋰電池將是非常有益于能量存儲，電源元件與標(biāo)準(zhǔn)的12V電池共存。同時，48V的電壓是能夠保持60V闕值電壓以下的足夠低的電壓，這是隔離要求的安全限度。超出這一限度，則需要推出安全措施以保護(hù)人們避免在遭遇致命事故時觸及到車內(nèi)的電路。

　　另外一個成功因素是在雙總成電壓方面、尤其是在車載高壓應(yīng)用方面，OEM已經(jīng)積累了相當(dāng)多的經(jīng)驗。在汽車中，多重或更高壓的架構(gòu)不再遙不可及，但同時，在基于總線架構(gòu)的領(lǐng)域中已經(jīng)建立起完善的解決方案。如圖3所示，我們的現(xiàn)代汽車架構(gòu)目前已經(jīng)可以適用于許多更高壓的領(lǐng)域，例如HID照明、高壓壓電陶瓷燃油直噴(Piezo-direct fuel Injection)，多種混合動力汽車(HEV)系統(tǒng)類似啟-停DC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定甚至數(shù)百伏HEV動力傳動系統(tǒng)。所有這些概念都有一個12V電池，或更高電壓總線共存的14V總線，二者相互之間很好的隔離開來，并且為車內(nèi)不同的高壓或電壓區(qū)域供電。

　　第三個成功因素是48V使能系統(tǒng)的顯著價值，比10年前所討論的42V系統(tǒng)所帶給客戶的優(yōu)勢更加顯而易見。僅以啟-停功能為例，在城市交通擁堵時，即可實現(xiàn)15%-20%的節(jié)油，與之前設(shè)立的42V目標(biāo)值產(chǎn)品相比，對車主而言在節(jié)油方面有著更大的影響。而且，發(fā)動機(jī)在等待交通燈時可以完全關(guān)閉，利用電傳系統(tǒng)驅(qū)動，以保證在發(fā)動機(jī)停止?fàn)顟B(tài)下一些重要系統(tǒng)(如制冷系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、加熱器等)仍然繼續(xù)運行。所以，實際上，駕駛員既可體會到48V系統(tǒng)的燃油消耗優(yōu)勢 及汽車駕駛性能優(yōu)勢。

　　最為重要的一點，所有的環(huán)保法規(guī)和車船消耗規(guī)定都迫使采用這些功能，盡管需要一些附加成本，但是與收效甚微的高壓系統(tǒng)或采用數(shù)百伏電壓的全HEV相比，這些成本是微不足道的。所以，整體上講，實際上48V電源的前景非常可觀，它是可支持我們現(xiàn)代環(huán)保型汽車的極具優(yōu)勢的可用產(chǎn)品。

　　IR的解決方案

　　然而，從元件和半導(dǎo)體兩方面而方，仍然意味著要對汽車產(chǎn)品和器件進(jìn)行相當(dāng)多的投資，以保留更高的總成電壓。特別是，在電源管理方面，開發(fā)合乎48V汽車架構(gòu)的MOSFET至關(guān)重要，也就是說，高效的75V、以及甚至可能的100V-150V MOSFET也將成為48V系統(tǒng)架構(gòu)的重要成功部分。如圖2所示(IR的100V功率MOSFET性能表)，過去20年里，半導(dǎo)體器件的傳導(dǎo)和開關(guān)損耗已經(jīng)得到了具大的提升，我們目前仍在不斷前進(jìn)的道路上，以實現(xiàn)更好的硅MOSFET。我們目前的幾代產(chǎn)品，甚至將推出更多的MOSFET平臺，都將通過適當(dāng)?shù)碾娫垂芾砥骷С諳EM和Tier1，這些器件是面向電機(jī)應(yīng)用，實現(xiàn)更高效能量轉(zhuǎn)換和低能耗逆變器所需要。正如我們在圖1中所描述的我們的專利型GaN硅片開關(guān)發(fā)展路線圖，適用于在最低損耗下的高速能量轉(zhuǎn)換，從而又增加了新的革命性的提升，并且超越了最新的硅片器件。

　　談到能量轉(zhuǎn)換，12V電池/48V電壓將重點強(qiáng)調(diào)雙總成架構(gòu)在這兩網(wǎng)之間的高效和低損耗雙向轉(zhuǎn)換。這尤其會推動12V←→48V降升壓轉(zhuǎn)換器、12V總線穩(wěn)定器以及可能的多相轉(zhuǎn)換器需求的增長，如圖4所示，采用IR公司DC-DC發(fā)展路線圖、適用于48V應(yīng)用的產(chǎn)品。最高效率是關(guān)鍵，因此，IR公司目前致力于開發(fā)領(lǐng)先的性能，使開關(guān)(如圖2所示，及在長期的超基準(zhǔn)型GaN器件中)將能夠以最高效率將能量轉(zhuǎn)換器最少化。然而，能量轉(zhuǎn)換不僅僅是采用HVIC所驅(qū)動的低損耗MOSFET的高效模擬功率級的問題。數(shù)字電源管理是取得成功的另外一個關(guān)鍵點。在計算機(jī)領(lǐng)域，它已經(jīng)成功的實現(xiàn)了應(yīng)用，目的是利用諸如IR公司專利型、基于CHIL的數(shù)字電源管理器實現(xiàn)的高效多相DC-DC轉(zhuǎn)換。數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的“魔力”及其強(qiáng)大的潛能將通過IR的專利功率級AU-ConvertiR，并結(jié)合我們目前正在開發(fā)的ControlliR產(chǎn)品傳遞到汽車市場。明年，我們很快將會發(fā)布一些這方面強(qiáng)大產(chǎn)品性能細(xì)節(jié)。

　　我們堅信，IR公司基于CHIL的數(shù)字控制器戰(zhàn)略與我們的多相轉(zhuǎn)換器方法(圖4概括出其結(jié)構(gòu))相結(jié)合將實現(xiàn)并支持現(xiàn)代汽車中更高壓總線的成功和總成應(yīng)用。48V不僅可以讓汽車更高效，而且還確定是最具前景、最簡潔且最具革命性的方法，對于那些仍然更愿意采用固態(tài)內(nèi)燃發(fā)動機(jī)，但又注重環(huán)保效率的駕駛員而言，這將會提供極具競爭力的產(chǎn)品……至少這一優(yōu)勢可以保留至電動汽車成為大眾負(fù)擔(dān)得起的更大市場那日為止。