电力系统在运载工具中的任务

上文提到过，在过去20年间，系统电压等级的选择对电气系统设计者来说是最主要任务之一。正如通常了解的那样，早期在汽车上应用半导体器件，主要关心的是在恶劣的环境中这些器件如何保证能够正常使用。随着系统复杂性的增加，当设计者更好地掌握了配电系统电压波动、瞬态变化以及它们的抑制方法之后，主要半导体生产商也已明确了满足汽车使用需要的半导体器件所应具有的可靠性等级^{［41，42］}。这促使设计者开始在汽车配电系统中更多的使用电子器件来开关较大电流，如点火线圈（8A）以及交流电机调压器（3.6A），同时由于器件可靠性的提高，以至于除了非常怀旧的汽车爱好者之外，汽车内的器件不断升级更替。电力电子器件和智能功率器件不断地替代汽车内原有的机械系统，使得现在平均每辆汽车中半导体器件高达几百美元（在1998年是20％），已经接近汽车总成本的30％。

在汽车中使用电力电子器件的主要障碍是成本，特别是要求不用过电压保护和二次电路而直接和汽车配电系统相连。电力电子器件的耐压必需留有余量，以保证能够承受汽车电气系统中的瞬态过电压，如发电机甩负载时的瞬态过电压。目前14V汽车配电系统中，最高瞬态电压限制已由原来的80V降为40V。42V电力系统对瞬变过电压限制更严（最高不超过58V），因此器件的耐压余量不用超过工作电压的1.5倍即可。对可靠性相同的半导体器件而言，过电压限制越严格，器件的使用寿命就越长。为满足可靠性要求，耐压比V_cc/V_max是决定半导体器件成本的主要因素，从80V瞬态过电压时的0.175到现在的0.35再到42V电气系统的0.72，耐压比方面已经有了很大进步。在这样的限制下，14V系统使用40V器件，42V的系统使用60V器件，就能保证器件的可靠性。在更大功率场合，如1kW的电动辅助转向系统或者10kW的起动发电一体机（ISA），应采用75V器件，这样不仅能够耐受配电系统瞬态过电压，还可以耐受器件和模块中寄生电感产生的瞬态过电压。如果进一步考虑器件雪崩时温度变化以及可能出现误差，器件耐压应该选到80V甚至100V。必需注意，42V电力系统的设计参数和一般75V和80V系统相同。图4-48列出了42V电力系统的部分参数以及对半导体器件的要求^［42］。

图4-48 42V电气系统参数和半导体容量参数(www.xing528.com)

42V电力系统正常运行电压范围是30～48V。考虑发电机电压波动，电压上限扩展为50V。瞬态最大过电压允许58V持续时间不超过400ms。汽车起动时，电压跌落可以到18V，持续时间不能超过15ms，21V则不能超过20ms。交流发电机整流二极管的反极性保护允许反向电压为-2V，持续时间不超过100ms。前文已经提及，半导体器件的耐压应该在75V或更高。假设电压余量取30V，则汽车中半导体器件的硅面积如图4-49中菱形和红色曲线所示。方块和蓝色曲线描述了芯片电导的下降（芯片面积下降）趋势。从图中可以看到，42V系统中的半导体器件尺寸只有14V系统中相应器件的20％。

图4-49 以14V系统为基准，42V系统半导体器件芯片面积及相应成本的明显下降趋势（Infineon Technologies AG公司，慕尼黑）