低RDS(ON)功率MOSFET实现更佳的汽车性能

  点击数：350  发布时间：2005-06-02 07:36

关键词：汽车

随着人们对驾驶室功能的需求不断增加，以及大型汽车对发动机的功率连同行驶里数的需求不断上升，新型低阻抗功率MOSFET遂应运而生，可实现汽车从传统的发电系统和液压系统转移到电子系统。这些新型低阻抗功率MOSFET有助于在增强汽车的舒适性和安全性的同时提高行驶里数。

除了驱动汽车在路上行驶，对于发动机还有更高的要求。发动机是汽车所有系统的“动力”来源。消费者对汽车的娱乐性、舒适性以及安全性的要求愈来愈高。此外，一般汽车每加仑汽油中的能量只有少于15%用于车轮上，大部分能量都变为热能而浪费掉，而根据目前的法令，载客汽车的每加仑汽油行驶里数必须为平均27.5mpg。但是到2007年，占新销售车辆半数以上的SUV、小型客货车和轻型卡车的mpg必须为22.2。而许多立法者正极力推高对所有车辆和SUV的整体要求，到2015年时必须达40mpg。有立法者甚至计划到2011年，SUV和轻型卡车必须达到与载客车相同的燃料经济水平。汽车制造商被要求提供更有效率的汽车，具备更多功能，而且价格必须为大众所接受。为了达到这个目标，许多汽车系统必须进行彻底的改变，例如令到发动机更有效率地燃烧燃料，以及将液压系统转换成电子系统，从而降低发动机的功耗。几乎所有系统都被查看过是否会浪费能量。而新型低阻抗功率沟道MOSFET便能提高几乎所有系统的性能，由发电系统以至娱乐及传动系统。

在发电方面，汽车传统的直流发电方法是使用交流发电机，将皮带轮与其机轴连接，然后利用来自曲轴的风扇皮带驱动发电。(“风扇皮带”的得名因其曾用于驱动发动机的冷却风扇。但已被电扇所取代，并仅在有需要时工作，通过MOSFET控制开关。)发电机产生的交流电将透过一些二极管转换成直流电。一般的二极管约有0.7伏的电压降。所以如果车辆消耗1千瓦约70安培的功率，那么，二极管会以热能方式耗散约98瓦。图1所示为基本交流发电机电路连同用于将交流电整顿为直流电的二极管。使用MOSFET替代二极管，功率损耗可减低至2瓦以下。节省的能量可用于增加行驶里数或驱动其它系统。（想想看普通膝上型电脑的功耗小于50瓦。）

在过去数年，低阻抗RDS(ON)功率MOSFET的发展出现了显著进步。图2展示30V装置的RDS(ON)如何在过去十年间下降。其中，1995年出现了一项重大改进，就是沟道功率MOSFET的发展。正当平面MOSFET还在不断改善，沟道装置经已确立了新的低RDS(ON)基准，是平面装置无法比拟的。图2A显示平面装置的横切面，图2B是沟道装置的横切面。平面装置已利用较少的几何将单元更紧密地封装起来，从而得到改良，而沟道装置更进一步将信道垂直地放置于装置的表面，令到单元得以更紧密地封装，以及除去和减低某些其它阻抗如“JFET”和“epi”阻抗。

发电系统正经历一些重要改变。当转动钥匙启动汽车时，便是将电池连接至安装在传动系统上的直流电机。这个“起动电动机”使发动机运转，启动汽车，然后，交流发电机会为电池充电并发动电子系统。在其余时间里，“起动电动机”是静负荷。发电机和电动机的基本设计相同，而当中的主要分别在于功率流。目前，“起动电动机”是直流电动机，但是使用功率MOSFET便可轻易将直流电源（如电池）转换成交流电源来驱动交流电动机。发动机一旦运转后，同一个MOSFET可以将产生的交流电转换成直流来为电子系统供电。所有这些可使用一个起动器/交流发电机和一个MOSFET电路来实现。对于3,000瓦的设计汽车负载，新型低阻抗功率MOSFET在过程中的损耗低于10瓦。

图3展示了综合起动交流发电系统的基本电路配置。利用起动交流发电系统，可在转换器阶段中使用多达30个低功率MOSFET。图4为电流流的示例，也即启动汽车时ISA的功率流。图5显示电流流和ISA作为汽车发电机时的功率流示例。

系统改革的另一个示例是动力转向系统。普通的动力转向系统采用放大方式来减少转动方向盘所需的力量，这方式使用了液压动力转向泵系统操作。具有固定放大比例的动力转向装置有着严重的缺陷。如果系统设计是在车辆处于静止状态时减小转动车轮所需的力量，那么在较高速情况下便会失去转向操作的方向。普通的动力转向系统具有机械化地连接至发动机的液压泵，并全时间运行，即使当汽车以直线行驶时也会消耗能量。这种对发电机的固定负载可以利用完全的电子控制动力转向系统(EPS)消除，将电动机直接放置在齿轮齿条转向装置上，或放在小型车辆的转向柱上。这些电动机可由低RDS(ON) 功率MOSFET有效地控制，从发动机消耗较少的能量，因而具有更高的能源和燃油效率。除了运作耗能较低外，这些系统更较普通的液压动力转向系统便宜5至10美元。全EPS系统也比普通液压动力转向系统轻巧，而减轻重量也有助于提高燃油效率。

在传动系统中，传统的带力矩转换器的自动变速箱比手动传动系统多消耗5%到10%的燃油。由先进功率半导体驱动的电液控制系统经已出现，并且是一项改进。力矩转换器无需再使用，因而可以降低功率消耗，却仍然拥有液压泵和所有与液压系统相关的重量。自动手动变速箱提供较手动方式为佳的燃油效率。自动手动变速箱将由先进功率沟道MOSFET控制的离合器和齿轮变化致动器，安装在手动变速箱上。这是特为F1赛车而开发。汽车驾驶者可像使用普通自动系统那样驾驶，毋须任何转变，因而能降低燃油消耗达5%到10%。

我们已经看到使用先进功率半导体器件如沟道MOSFET驱动的电机取代真空刹车辅助装置的电液制动系统。此举促进了使用功率MOSFET的ABS系统的发展，在车载电脑遇上急停后检测到滑动时，即时进行刹车。图6展示了ABS系统的基本电路。在沟道MOSFET等先进功率半导体控制的电致动器位于圆弯脚器或制动鼓时，最终可使用电子制动装置。电致动可实现稳定的控制，并分别对个别车轮进行制动，以纠正任何滑行倾向。

图6全新的低RDS(ON 功率MOSFET是提高各式系统效率的关键元素，还可以更轻巧、高效的系统替代旧式的沉重系统，从而提供更多功能和提升车辆的整体安全性。所节省的能量更可转化为行驶里数，或为汽车增添更多的功能选项。事实上，许多新选项的设计目的均在于减少能量消耗，因此多会使用新型低RDS(ON)功率MOSFET，例如为乘客而设的总台娱乐系统和提供更佳道路照明的HID系统等。

相关文章

【已有0位网友发表了看法，点击查看。】 关闭  打印