CO2法規(guī)促進(jìn)汽車(chē)電子行業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

　　多年來(lái)，圍繞空氣污染和全球氣候變化的健康和環(huán)境問(wèn)題迫使政府部門(mén)制定減少污染物排放的法規(guī)，尤其是針對(duì)汽車(chē)行業(yè)。由于引入了更清潔的燃料、催化轉(zhuǎn)換器、粒子濾波器和更高效的引擎，已經(jīng)取得了很多進(jìn)步。然而，所有這些進(jìn)步都被每年不斷增長(zhǎng)的汽車(chē)銷(xiāo)售量抵消，政府部門(mén)需要向不滿足污染排放物如 CO2 減少目標(biāo)的汽車(chē)制造商施加更嚴(yán)苛的限制，包括罰款。圖1顯示全球范圍內(nèi)客車(chē)如何持續(xù)隨時(shí)間減少其 CO2 排放量，以及政府在全球范圍內(nèi)持續(xù)強(qiáng)制實(shí)行限制的目標(biāo)。

　　圖1，客車(chē)的 CO2 減排目標(biāo)［ 1］

　　汽車(chē)制造商減少內(nèi)燃機(jī) CO2 排放量并滿足其目標(biāo)的一種方式是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)電氣化，類似于電動(dòng)火車(chē)： 混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)將內(nèi)燃機(jī)與 50 kW 至 100 kW 電動(dòng)機(jī)相結(jié)合，只要可能都可以加速或關(guān)閉引擎，能夠減少 CO2 排放量 20% 至 40%。電動(dòng)汽車(chē)完全依賴 200 kW 或更高功率的電動(dòng)機(jī)，不會(huì)釋放任何污染物，因?yàn)槠溥\(yùn)行無(wú)需 ICE。

　　從電動(dòng)機(jī)運(yùn)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(duì)較輕的配線，以及需要符合高電壓安全標(biāo)準(zhǔn)的角度來(lái)看，EV 和 HEV 需要龐大的高電壓電池，并且需要完全重新設(shè)計(jì)汽車(chē)內(nèi)的電氣結(jié)構(gòu)。根據(jù)電氣化程度，這樣的系統(tǒng)成本可能達(dá)到 $4k 至 $10k。不幸的的是，對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，這過(guò)于昂貴，并且會(huì)質(zhì)疑這種汽車(chē)是否會(huì)在市場(chǎng)上廣泛銷(xiāo)售并能減少路上成千上萬(wàn)車(chē)輛排放的尾氣。

　　為了降低成本，汽車(chē)制造商正在考慮減少其高電壓系統(tǒng)的重量和大小，導(dǎo)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(zhǎng)的電池系統(tǒng)。這種電池系統(tǒng)采用功率損耗更小的半導(dǎo)體材料，能夠以更高的溫度運(yùn)行并且產(chǎn)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(yùn)行期間能夠更好地驅(qū)散產(chǎn)生的熱量，并且能夠耐受更高的溫度。通過(guò)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(yīng)該會(huì)降下來(lái)，從而允許在市場(chǎng)上廣泛銷(xiāo)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(chē)制造商正在研發(fā)一種依賴 48 V 板網(wǎng)的輕度混合型汽車(chē)。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(yán)格和昂貴的預(yù)防措施來(lái)預(yù)防高電壓安全危險(xiǎn)，同時(shí)仍能夠提供足以運(yùn)行 10 kW 至 20 kW 皮帶式起動(dòng)發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)的功率，通過(guò)提供基本的功能如起動(dòng)/停止和被動(dòng)滑行，能夠減少 CO2 排放量 20% 至 30%。此外，48 V 板網(wǎng)克服了 12 V 電池的功率限制，并且允許實(shí)現(xiàn)輔助功能的電氣化，如水泵和渦輪增壓器，從而實(shí)現(xiàn)更好的引擎管理。在實(shí)現(xiàn)相同的性能時(shí)，引擎能夠減小尺寸并消耗更少的燃料，進(jìn)而減少 CO2 排放。最后，48 V 板網(wǎng)還提供足以單獨(dú)運(yùn)行空調(diào)壓縮機(jī)和其他類型泵的功率，在傳統(tǒng)汽車(chē)中這些都是由引擎通過(guò)皮帶拖動(dòng)的，并且若未充電不管何時(shí)引擎為了節(jié)約燃料的目的（滑行、起動(dòng)/停止）而停止運(yùn)行時(shí)都會(huì)停止。

　　該 48 V 板網(wǎng)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(chǎng)上廣泛接受的柴油引擎昂貴，因此更有希望在市場(chǎng)上被廣泛接受。然而，此類汽車(chē)的成本也會(huì)有所增加，這也是需要排除的一個(gè)障礙。

　　進(jìn)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(kāi)發(fā)更小、更輕和更高效的系統(tǒng)，只有在得到整個(gè)汽車(chē)供應(yīng)鏈包括半導(dǎo)體行業(yè)的支持后才能實(shí)現(xiàn)。

　　Fairchild完全致力于支持 CO2 減排，持續(xù)與汽車(chē)制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商互動(dòng)開(kāi)發(fā)和提供汽車(chē)行業(yè)最先進(jìn)的技術(shù)。通過(guò)其屏蔽柵極 MOSFET、場(chǎng)截止溝道 IGBT 和 SuperFET，涵蓋中電壓等級(jí) 30 V 至 100 V 和高電壓等級(jí) 600 V 至 900 V，F(xiàn)airchild 顯著提高了硅性能。改進(jìn)包括包含硅片的封裝已成為限制因素，并且在該領(lǐng)域，F(xiàn)airchild 再次發(fā)揮其專長(zhǎng)，提供先進(jìn)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(qū)動(dòng)更高的電流，具有更少的電氣寄生效應(yīng)。通過(guò)提供具有更高功率密度的大量元件組合，F(xiàn)airchild 為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供靈活性，設(shè)計(jì)可擴(kuò)展解決方案，減少其系統(tǒng)

　　中并聯(lián)元件的數(shù)量，簡(jiǎn)化其電路板設(shè)計(jì)，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(dǎo)體，并最終減小其系統(tǒng)的尺寸和重量，實(shí)現(xiàn)最高可靠性。

　　不用說(shuō)這樣的解決方案需要在嚴(yán)苛的運(yùn)行條件下完全符合可制造性、質(zhì)量和可靠性方面的汽車(chē)要求，這就說(shuō)明了為什么在眾多可能的解決方案中，只有少數(shù)能夠在市場(chǎng)上取得成功。

　　汽車(chē)電氣化發(fā)展越來(lái)越快，并且在競(jìng)爭(zhēng)非常激烈的環(huán)境中，上市時(shí)間和限制開(kāi)發(fā)成本的需要一直都非常關(guān)鍵。半導(dǎo)體公司一向在采納任何新的未經(jīng)驗(yàn)證的新東西時(shí)都非常保守和謹(jǐn)慎，對(duì)他們來(lái)說(shuō)，支持汽車(chē)行業(yè)真的是一個(gè)挑戰(zhàn)。由于快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)，傳統(tǒng)的試錯(cuò)方式不再被接受，半導(dǎo)體公司必須提高他們的建模能力。通過(guò)獨(dú)特的物理可擴(kuò)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(fù)雜，［ 3］ Fairchild 都允許設(shè)計(jì)人員輕松預(yù)測(cè)封裝中的硅性能，并且根據(jù)其精確需要進(jìn)行優(yōu)化。

　　最后但同樣重要的，甚至在汽車(chē)行業(yè)，包括半導(dǎo)體公司在內(nèi)的供應(yīng)鏈都致力于通過(guò)更佳的自然資源管理、減少浪費(fèi)，并在裝配流程中積極采用環(huán)境友好的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)環(huán)保。這就說(shuō)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(kāi)發(fā)的，附著焊錫中根本不含鉛，同時(shí)仍滿足引擎蓋下嚴(yán)苛工作條件下長(zhǎng)久可靠性的汽車(chē)要求。

　　總之，汽車(chē)已經(jīng)持續(xù)減少其 CO2 排放量，但也被路上持續(xù)增多的汽車(chē)抵消。政府部門(mén)已經(jīng)定義了電動(dòng)汽車(chē)可以實(shí)現(xiàn)的嚴(yán)苛 CO2 減排目標(biāo)。已有的 EV 和 HEV 解決方案促進(jìn)了顯著創(chuàng)新，但由于系統(tǒng)成本仍然很高，大規(guī)模擴(kuò)展應(yīng)值得懷疑。作為替代方案，48 V 網(wǎng)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(zhǎng)的市場(chǎng)上，F(xiàn)airchild 為汽車(chē)行業(yè)提供了采用先進(jìn)封裝解決方案的最新硅技術(shù)和獨(dú)特的建模能力，允許汽車(chē)制造商和系統(tǒng)供應(yīng)商根據(jù)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(chē)電子特刊》，更多優(yōu)質(zhì)內(nèi)容，馬上下載閱覽