CO2法規(guī)促進汽車電子行業(yè)創(chuàng)新設計

　　多年來，圍繞空氣污染和全球氣候變化的健康和環(huán)境問題迫使政府部門制定減少污染物排放的法規(guī)，尤其是針對汽車行業(yè)。由于引入了更清潔的燃料、催化轉換器、粒子濾波器和更高效的引擎，已經取得了很多進步。然而，所有這些進步都被每年不斷增長的汽車銷售量抵消，政府部門需要向不滿足污染排放物如 CO2 減少目標的汽車制造商施加更嚴苛的限制，包括罰款。圖1顯示全球范圍內客車如何持續(xù)隨時間減少其 CO2 排放量，以及政府在全球范圍內持續(xù)強制實行限制的目標。

　　圖1，客車的 CO2 減排目標［ 1］

　　汽車制造商減少內燃機 CO2 排放量并滿足其目標的一種方式是實現汽車電氣化，類似于電動火車： 混合動力電動汽車將內燃機與 50 kW 至 100 kW 電動機相結合，只要可能都可以加速或關閉引擎，能夠減少 CO2 排放量 20% 至 40%。電動汽車完全依賴 200 kW 或更高功率的電動機，不會釋放任何污染物，因為其運行無需 ICE。

　　從電動機運行需要的高功率，需要將電流限制在合理的大小并且需要保持相對較輕的配線，以及需要符合高電壓安全標準的角度來看，EV 和 HEV 需要龐大的高電壓電池，并且需要完全重新設計汽車內的電氣結構。根據電氣化程度，這樣的系統(tǒng)成本可能達到 $4k 至 $10k。不幸的的是，對于大多數人來說，這過于昂貴，并且會質疑這種汽車是否會在市場上廣泛銷售并能減少路上成千上萬車輛排放的尾氣。

　　為了降低成本，汽車制造商正在考慮減少其高電壓系統(tǒng)的重量和大小，導致了大量的研發(fā)投資投入到體積更小、效率更高、持久性更長的電池系統(tǒng)。這種電池系統(tǒng)采用功率損耗更小的半導體材料，能夠以更高的溫度運行并且產生更少的噪音；這種電池系統(tǒng)采用的封裝解決方案體積更小，引入更少寄生噪音，在運行期間能夠更好地驅散產生的熱量，并且能夠耐受更高的溫度。通過采用更小的電池、更小更輕的冷卻系統(tǒng)和更小的噪音濾波系統(tǒng)，EV 和 HEV 的成本最終應該會降下來，從而允許在市場上廣泛銷售 EV 和 HEV。

　　作為克服目前 EV 和 HEV 成本限制的一種替代方案，歐洲汽車制造商正在研發(fā)一種依賴 48 V 板網的輕度混合型汽車。選擇剛好低于高電壓安全閥值的電池電壓，從而確保不需要嚴格和昂貴的預防措施來預防高電壓安全危險，同時仍能夠提供足以運行 10 kW 至 20 kW 皮帶式起動發(fā)電機電動機的功率，通過提供基本的功能如起動/停止和被動滑行，能夠減少 CO2 排放量 20% 至 30%。此外，48 V 板網克服了 12 V 電池的功率限制，并且允許實現輔助功能的電氣化，如水泵和渦輪增壓器，從而實現更好的引擎管理。在實現相同的性能時，引擎能夠減小尺寸并消耗更少的燃料，進而減少 CO2 排放。最后，48 V 板網還提供足以單獨運行空調壓縮機和其他類型泵的功率，在傳統(tǒng)汽車中這些都是由引擎通過皮帶拖動的，并且若未充電不管何時引擎為了節(jié)約燃料的目的（滑行、起動/停止）而停止運行時都會停止。

　　該 48 V 板網成本大約增加 2.5k 美元，其 CO2 排放和燃料節(jié)省與成本增加之間的比例比 HEV 或 EV 要好。另外，它并不比大眾市場上廣泛接受的柴油引擎昂貴，因此更有希望在市場上被廣泛接受。然而，此類汽車的成本也會有所增加，這也是需要排除的一個障礙。

　　進一步降低 48 V 系統(tǒng)成本的挑戰(zhàn)與 EV 和 HEV 類似：需要持續(xù)開發(fā)更小、更輕和更高效的系統(tǒng)，只有在得到整個汽車供應鏈包括半導體行業(yè)的支持后才能實現。

　　Fairchild完全致力于支持 CO2 減排，持續(xù)與汽車制造商和系統(tǒng)供應商互動開發(fā)和提供汽車行業(yè)最先進的技術。通過其屏蔽柵極 MOSFET、場截止溝道 IGBT 和 SuperFET，涵蓋中電壓等級 30 V 至 100 V 和高電壓等級 600 V 至 900 V，Fairchild 顯著提高了硅性能。改進包括包含硅片的封裝已成為限制因素，并且在該領域，Fairchild 再次發(fā)揮其專長，提供先進的封裝解決方案如功率模塊、H-PSOF （TOLL）、PQFN5x6，該封裝占位面積較小，允許驅動更高的電流，具有更少的電氣寄生效應。通過提供具有更高功率密度的大量元件組合，Fairchild 為系統(tǒng)設計人員提供靈活性，設計可擴展解決方案，減少其系統(tǒng)

　　中并聯元件的數量，簡化其電路板設計，有利于裝配并且可以在以前根本不可能的地方安裝功率半導體，并最終減小其系統(tǒng)的尺寸和重量，實現最高可靠性。

　　不用說這樣的解決方案需要在嚴苛的運行條件下完全符合可制造性、質量和可靠性方面的汽車要求，這就說明了為什么在眾多可能的解決方案中，只有少數能夠在市場上取得成功。

　　汽車電氣化發(fā)展越來越快，并且在競爭非常激烈的環(huán)境中，上市時間和限制開發(fā)成本的需要一直都非常關鍵。半導體公司一向在采納任何新的未經驗證的新東西時都非常保守和謹慎，對他們來說，支持汽車行業(yè)真的是一個挑戰(zhàn)。由于快速增長的市場，傳統(tǒng)的試錯方式不再被接受，半導體公司必須提高他們的建模能力。通過獨特的物理可擴展模型［ 2］以及封裝交叉耦合模型，不管背后的流程和物理原理有多復雜，［ 3］ Fairchild 都允許設計人員輕松預測封裝中的硅性能，并且根據其精確需要進行優(yōu)化。

　　最后但同樣重要的，甚至在汽車行業(yè)，包括半導體公司在內的供應鏈都致力于通過更佳的自然資源管理、減少浪費，并在裝配流程中積極采用環(huán)境友好的材料來實現環(huán)保。這就說明了（例如）功率模塊是如何利用完全符合 RoHS 要求的綠色材料開發(fā)的，附著焊錫中根本不含鉛，同時仍滿足引擎蓋下嚴苛工作條件下長久可靠性的汽車要求。

　　總之，汽車已經持續(xù)減少其 CO2 排放量，但也被路上持續(xù)增多的汽車抵消。政府部門已經定義了電動汽車可以實現的嚴苛 CO2 減排目標。已有的 EV 和 HEV 解決方案促進了顯著創(chuàng)新，但由于系統(tǒng)成本仍然很高，大規(guī)模擴展應值得懷疑。作為替代方案，48 V 網板系統(tǒng)目前提供更佳的燃料和 CO2 減排與成本之比。在快速增長的市場上，Fairchild 為汽車行業(yè)提供了采用先進封裝解決方案的最新硅技術和獨特的建模能力，允許汽車制造商和系統(tǒng)供應商根據具體需要優(yōu)化系統(tǒng)，減少尺寸和重量，節(jié)省燃料，并最終減少 CO2 排放。
本文選自《汽車電子特刊》，更多優(yōu)質內容，馬上下載閱覽