當今汽車技術發(fā)展的一個主要趨勢就是從14V系統到42V系統的轉換。由于汽車內電器的不斷增加，在未來幾年內，其總功率將達到并超過3KW水平。如果仍沿用傳統的14V蓄電池來傳輸，直流電流將達到200A～300A。這將會使所需電機及功率驅動電路的成本大幅度升高。從而成為限制汽車發(fā)展的瓶頸。所以，對于已有的14V系統，唯一的解決方案是關掉某些正在使用的電器，以便將峰值電流控制在允許范圍內。這當然會降低汽車的舒適及可靠性。

      考慮到安全及經濟性，42V系統成為一個理想的選擇。之所以選擇42V，是因為人體所能接觸的安全電壓的上限是直流60V。在考慮到電壓波動的裕量后，42V成為一個很優(yōu)化的選擇。采用這一電壓，首先可以免去額外的絕緣設計，從而降低成本。其次，傳輸同樣的直流功率，電流只有14V系統的三分之一，從而減低了電機及電力元件的電流負荷，也使導線及功率元件的傳輸損耗降低為原來的近九分之一，從而可以減小導線截面積以降低重量。從另一  個角 度說，在保持同樣電流負荷的情況下，傳輸功率會提高到原來的三倍。

      42V系統的應用將影響整個汽車電器系統的結構及特性。其中幾個主要的變化將是一體化起動/發(fā)電機，直流/直流轉換器和電助力方向盤控制。

      一體化起動/發(fā)電機系統 （ISA：Integrated Starter/Alternator）

      一體化起動/發(fā)電機系統是42V系統中的一個熱點。之所以整合汽車的起動電機和發(fā)電機成為一個一體的雙用途電機，是因為汽車內電器的功率要求。一般家用汽車的起動電機功率在3KW左右，而發(fā)電機功率在1KW。但隨嗬汽車內電器的日益增多，發(fā)電機功率將在不久的將來達到3KW的水平。因此使一體化成為可能。另外，由于起動與發(fā)電是兩個相互獨立的過程，因而如將這兩種電機一體化，材料利用率將提高，前機蓋下的可利用空間也將可提高。不僅如此，傳統發(fā)電機的效率很低，大約為50%到60%。而一體化電機在發(fā)電機狀態(tài)，其效率可達80%。

      另外，這一技術可以實現發(fā)動機的起停控制，提高燃油效率。就是說，當汽車在交通燈前停止時，關閉發(fā)動機。在起動時，先由起動機帶動發(fā)動機達到一定轉速，再給發(fā)動機點火。由于發(fā)動機在從零轉速達到額定的加速過程中是燃油效率最低，燃燒最不充分的，因而，采取這一措施會提高燃油效率并降低污染。

      一體化起動/發(fā)電機的另一個特點是可再生制動。即在制動過程中，將機械能轉化為電能給蓄電池充電，從而提高發(fā)動機效率。

     
圖1顯示了這一新型電機與發(fā)動機的機械耦合（同軸耦合）

      這一設計的主要挑戰(zhàn)來自兩個方面。一方面是電機設計，一方面是功率驅動及控制。

      1. 電機設計
    在電機設計上，首先的問題是選用何種電機。眾所周知，電機的設計要么基于電動機運行，要么基于電機運行。要折衷設計出一個電機來完成電動與發(fā)電功能，優(yōu)化設計是關鍵。

      當前主要有四種電機可作為候選。

      第一種是永磁無刷直流機。它單位體積輸出功率高、體積小、起動轉矩大。問題一是轉矩脈動，二是需要較貴的位置傳感器，三是永磁材料成本高，且在短路或重載運行時會去磁。

      第二種電機是異步機。它的優(yōu)點是結構簡單，維護簡便， 控制技術成熟。缺點是體積大，功率調速范圍窄，而且起動電流大，因而對逆變器功率元件要求較高。

      第三種電機是永磁同步電機。它的特點是控制靈活、調速范圍寬、力矩波動小。缺點一是永磁材料會在重載下去磁， 二是驅動控制系統成本高。

      最后一種電機是開關磁阻電機。優(yōu)點是高速性能優(yōu)越，結構簡單，相間耦合小，可以缺相運行。缺點是噪音高，驅動電路特殊，成本高。

      從當前的應用現狀看，日本汽車廠家多采用永磁無刷直流機；大部份美國廠家選用異步機；而在歐洲，兩種電機都有應用。當然，另外兩種電機也處于很活躍的試驗研究階段。最終的電機選擇將依賴于功率等級、電機及驅動電路的成本，電機與發(fā)動機的耦合方式，以及系統性能的全面考慮。

      2. 功率驅動及控制

      對于一體化起動/發(fā)電機系統，功率驅動是一個更嚴峻的挑戰(zhàn)。由于驅動及控制系統占整個一體化起動/發(fā)電機系統價格的60%到90%。因此，對于對價格非常敏感的汽車工業(yè)，在滿足性能要求的基礎上，降低成本成為一個贏得市場的關鍵。

      從性能及導熱設計的角度，功率元件的尺寸越大越好。而從價格上看，當然晶片的尺寸越小越經濟。所以，功率驅動系統的優(yōu)化設計至關重要。

      在汽車應用中，由于直流總線的電壓是42V，因此對于這一大電流小電壓的應用領域，MOSFET是當然的選擇。然而，因為前機蓋下的工作溫度在 到+ 之間，這對MOSFET提出了非常高的要求。同時，由于電機的頻繁起停和負載變化，瞬態(tài)電流會達到穩(wěn)態(tài)電流的幾倍。因此，對元件的過流能力及散熱設計都要有較高要求。

      此外，MOSFET的導通電阻要盡量減低以達到降低導通損耗的目的。而導通電阻和擊穿電壓成反比，因而，MOSFET的擊穿電壓要盡量低。但是，電路中的雜散電感會在MOSFET關斷過程中引起電壓過沖而使MOSFET工作于雪崩狀態(tài)，從而使開關損耗增加。因而，從減低開關損耗的角度看，擊穿電壓要高才好。將這兩個要求折衷考慮，擊穿電壓75V到100V的MOSFET為較優(yōu)化的選擇。

      另外，散熱及可靠性也都須在元件選擇及系統設計中給以考慮。不僅如此，在這一應用中，采用單一的大尺寸MOSFET成本較高。為降低價格，常采用小尺寸MOSFET并聯以滿足功率要求，所以，元件間要有很好的參數一致性，并且要合理布局電路來均布雜散電感，以防負荷不均勻引起元件損壞。

      國際整流器（IR）公司針對這一應用設計了幾種MOSFET，例如 IRBT2907，IRFB3808及更新型的針對汽車應用設計的溝道形MOSFET。這些產品的共同特點是：極低的導通電阻（Rdson），以滿足低導通損耗的要求；極小的開關時間，以減低開關損耗。同時，為降低及有效控制雜散電感，IR也提供模塊解決方案。如圖3所示，兩個并聯的MOSFET芯片構成一個開關，其驅動電路則與其緊湊的設計在一起。這一開關可承受600A的峰值電流。

      除了對功率元件的要求外，一體化起動/發(fā)電機也對控制系統提出了較高的要求。首先，電機要能在寬廣范圍內平滑調速，并實現功率控制。同時，作為發(fā)電機運行時，要同時具有穩(wěn)定42V直流總線電壓的功能；其次，要有完善的保護功能，以達到汽車工業(yè)的標準；最后還要嚴格控制價格，例如，去掉昂貴的位置傳感器，利用電流、電壓信號實現無位置傳感器控制，從而減低成本。V總線成為汽車工業(yè)的標準，從14V到42V的轉換仍需要很長時間。即兩種電壓系統要共存。所以一個直流/直流轉換器將成為必需。圖4顯示了集中式直流/直流轉換器的結構。

      當一體化起動/發(fā)電機工作于發(fā)電機狀態(tài)時，不但36V蓄電池會被充電，12V蓄電池也會通過直流/直流轉換器而被充電。兩個電壓系統各自帶動相應負載。當負載波動時，直流/直流轉換器可以控制功率的流向以平衡負載。如果在起動時36V蓄電池電壓過低，汽車需要跳起動（JUMP START） 。這時，直流/直流轉換器可以通過本車上或另外車上的12V電源來帶動起動機，從而起動發(fā)動機。

      由于直流/直流轉換器工作在100KHz到150KHz的開關頻率下，因此功率元件的開關損耗將占總損耗的大部份。所以要求功率元件有盡量快的開關速度，即盡量小的柵電荷。然而，如果開關速度過快，本征二極管的反向恢復過程（如圖5）會很硬。即 很大，從而使段的di/dt非常高。這會在雜散電感的影響下 引起漏極與源極間電壓很大的波動（Ringing）。這一過程所產生的損耗并不顯著，然而，它所產生的高頻電磁干擾（EMI）◆會通過傳導（Conductive EMI） 和放射（Radiated EMI） 的方式對汽車◆的其他電器產生影響。例如，這一高頻電磁干擾通過直流總線傳輸到音頻電路中，從而干擾調頻收音機的收聽效果。

      所以，從設計角度上，要求MOSFET有盡量小的反向恢復電荷，并有盡量軟的恢復過程。從而使電磁干擾在工業(yè)標準限度內。否則，對電磁干擾濾波器的設計要求會更高，成本也會大幅度提高。

      電助力方向盤控制（EPAS-Electric Power Assistant Steering）
    傳統的助力方向盤系統是液壓系統，所以即使沒有任何轉向動作，液壓泵也要始終工作。因此，發(fā)動機損耗增加，燃油效率降低。而電助力方向盤系統則很好的解決了這一問題。當方向盤動作時，位置或轉矩信號通過傳感器送到控制單元（MCU），控制單元控制逆變器以驅動無刷直流電機或開關磁阻電機帶動車輪轉動。而當方向盤靜止時，電機停止，沒有任何能量損耗。發(fā)動機燃油效率因此提高。

      這一系統與一體化起動/發(fā)電機的驅動很接近，只是控制是點位控制不是速度控制，且功率級別要低得多。

      由于電機在這一系統中工作于頻繁起停的狀態(tài)，瞬態(tài)電流會因為雜散電感的影響而引起很高的電壓過沖。所以，如用離散元件設計的逆變器，電路板和連線要小心安排以降低雜散電感。如果對性能有更高的要求，將功率驅動部份作成模塊是一個很好的解決方案。

      由于這一應用的電流較低，很多新的電力電子技術已被應用于這一領域。其一是智能開關（IPS - Intelligent Power Switch），它將多種保護和診斷功能集成在同一芯片上，從而使其可靠性大大提高；其二是帶溫度感應及電流感應功能的MOSFET，例如HEXSENSE。它可以直接反饋和電流成正比的電壓信號，從而省去了昂貴的電流傳感器。

      不僅是上面所提到的幾個系統，其他的汽車電器系統也都在向42V轉換，例如防抱閘系統（ABS）。動態(tài)懸掛系統（EAS-Electric Active Suspension）。發(fā)動機的電磁閥控制（EMV-Electromechanical Engine Valves）， 而所有這些轉換都和電力電子技術緊密相連。

      需要說明的是，一體化電機系統及整個42V系統的廣泛應用不僅取決于系統安全性、舒適性及燃油效率的提高，還取決于與傳統技術相比其價格的可比性。對于消費者來講，汽車內部的電器系統是14V還是42V無關緊要，性能價格比才是一個重要因素。所以，降低功率元件的成本將對這一新系統的實際應用起到重要作用。