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(xù)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(tǒng)的電壓要求從12V到800V不等，電流更是達到數(shù)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(tǒng)中，它們的成本劣勢會蓋過它們的性能優(yōu)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(zhuǎn)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(lián)配置的低電壓功率半導體器件打造出了有效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(zhuǎn)換器MOSFET電路。這個48V的電池系統(tǒng)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(lián)MOSFET

電動助力轉(zhuǎn)向、泵、風扇和車身應用，通過48V MOSFET車輛系統(tǒng)驅(qū)動應用。

在這些系統(tǒng)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(fā)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(shù)。

主要的MOSFET器件必須從電池向系統(tǒng)傳導大電流。如果這些MOSFET采用并聯(lián)配置，那么系統(tǒng)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(tǒng)，其中三個并聯(lián)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(huán)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(yōu)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(huán)路上。當組內(nèi)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(wěn)定。
這種安排可以實現(xiàn)更好的芯片溫度匹配，而不是平等的電流均流。

輔助48V系統(tǒng)

制動動作使能量從內(nèi)燃機流向48V電池，發(fā)動機扭矩傳遞給作為發(fā)電機的皮帶傳動啟動/發(fā)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(tǒng)（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(zhuǎn)換器將48V電壓降低到16V，為3相逆變器柵極驅(qū)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(fā)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(zhuǎn)向架以及輔助啟-停系統(tǒng)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(guī)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(guī)范允許20V和60V之間的限制電壓模式以及高達70V的動態(tài)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(zhuǎn)換器的穩(wěn)健性

圖2中的48V降壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(huán)境中，48V降壓轉(zhuǎn)換器必須符合EMI的CISPR25 Class 5規(guī)范。固定頻率轉(zhuǎn)換器通常在傳導和輻射測試中衰減尖峰。可調(diào)節(jié)的DC-DC頻率允許工程師在通過EMI測試時過濾特定頻率。區(qū)別在于，恒定導通時間架構表現(xiàn)出的那些可變頻率很少有良好的EMI性能。

48V前端降壓轉(zhuǎn)換器

汽車的許多電子控制單元 (ECU)，具有良好的EMI性能。穩(wěn)健的前端48V降壓轉(zhuǎn)換器接口能夠承受電池的靜態(tài)和動態(tài)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(qū)動器，并且在12V電池斷開時提供MCU備用電源。

48V降壓轉(zhuǎn)換器與12V降壓轉(zhuǎn)換器相比，往往具有更高的開關損耗（公式1）。

PSW = ? x C x V2 x f Eq. 1

其中C是寄生電容

V是降壓轉(zhuǎn)換器的輸出

f是作業(yè)頻率

通過降低作業(yè)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(xiàn)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(jù)這個計算，降壓轉(zhuǎn)換器的高壓側(cè)晶體管的導通時間占33%，而低壓側(cè)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(lián)配置的低電壓功率半導體器件打造出了有效的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)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(zhuǎn)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(huán)境的性價比要求。

審核編輯：郭婷