汽車電氣系統(tǒng)中電子功率開關(guān)的應用

趙碩 李耀飛

摘要：科技不斷的提升著汽車的質(zhì)量和性能，汽車本身所帶的功能也越來越齊全，這些功能的出現(xiàn)帶給了消費者很多便捷，也不斷地豐富著汽車電氣系統(tǒng)，這些功能的普及也得力于電氣系統(tǒng)中電子功率開關(guān)的應用。

關(guān)鍵詞：汽車；電氣系統(tǒng)；電子功率開關(guān)

1.汽車電路與電氣系統(tǒng)的基本組成

汽車整車電器設(shè)備包括滿足車輛運行的基本設(shè)備和為了提高車輛安全性、舒適性而增加的一些電子控制系統(tǒng)組成。其主要的電氣設(shè)備包含有：電源系統(tǒng)、起動系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、照明信號與警告系統(tǒng)、儀表系統(tǒng)以及其他輔助電器。電子控制系統(tǒng)包含有：電子控制燃油噴射系統(tǒng)（EFI-Electronic Fuel Injection）、電控自動變速器（AT-Automatic Transmission/ Transaxle）、電控懸架系統(tǒng)（Electronic suspension system）、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS- Electronic Power Steering）、制動防抱死系統(tǒng)（ABS-Anti-lock Brake System）、輔助乘員保護系統(tǒng)（SRS-Supplemental Restraint System（安全氣囊）、自動空調(diào)（A/C-Air Condition）。

汽車的種類很多，但其電器電路的設(shè)計一般都遵循一定的規(guī)律。汽車電路結(jié)構(gòu)，工作過程和故障性質(zhì)等方面具有共同特點，汽車電氣系統(tǒng)的電路特點如下：

其一是所有的汽車電路結(jié)構(gòu)都采用低壓供電的單線制接入方式，目前汽車所用的蓄電池電源一般是直流電源，其通用的電壓通常為12福特，汽車上所有用電設(shè)備是并聯(lián)的，汽車發(fā)動機、底盤等金屬機體，作為各種電器的公用電路，由用電器到電源只需一條導線。

其二是用電設(shè)備的并聯(lián)狀態(tài)，汽車上所有的電氣設(shè)備都各自串聯(lián)在支路中，與電源并聯(lián)，并且各支路由單獨的開關(guān)控制，互相獨立，互不干擾。

其三體現(xiàn)在汽車電路的保護裝置上，根據(jù)相關(guān)規(guī)定，汽車電氣設(shè)備都必須負極接鐵，并安裝了保護裝置，一般串接在元器件回路中。

2.電子功率開關(guān)的應用特點

電子功率開關(guān)在汽車電氣系統(tǒng)的應用特點有：

2.1可監(jiān)控汽車外部環(huán)境的信息燈，如前車后尾燈、方向燈、動向燈等；

2.2對減輕交流電力、發(fā)動機之外的負荷量，可組裝各式各樣的零件設(shè)備，如電子功率內(nèi)部設(shè)備等；

2.3根據(jù)汽車實際需求進行調(diào)控。

3.汽車電氣開關(guān)的作用與分類

開關(guān)是汽車電氣系統(tǒng)中不可缺少的重要部件。開關(guān)的作用主要是用來控制汽車的各種電氣設(shè)備。開關(guān)的性能必須安全、可靠、耐用且便于操縱。開關(guān)的種類及結(jié)構(gòu)形式種類繁多，分類方法目前不太統(tǒng)一，若按照操縱方式可分為手動和電動兩類；若按開關(guān)的功能特點可分為純機械多功能手動開關(guān)或手、腳、電間接混合控制開關(guān)。近年來，汽車采用的電氣開關(guān)多為多功能手、腳、電混合控制開關(guān)。開關(guān)的種類雖然很多，但對開關(guān)使用性能的要求一致的，即開關(guān)必須具有如下共同的性能。

3.1汽車電氣開關(guān)必須安全可靠開關(guān)是否安全可靠對正常工作來說是至關(guān)重要的。比如，在操縱開關(guān)過程中，不應有對人產(chǎn)生任何傷害的可能性；還應保證不發(fā)生由誤操作或因開關(guān)可靠性而導致的對汽車電氣設(shè)備的破壞。同時開關(guān)本身應具有一定的抗過載能力，以提高開關(guān)的使用壽命及可靠性。

3.2汽車電氣開關(guān)的操縱性開關(guān)必須便于駕乘人員操縱，且有一定的機械強度。比如，由駕駛員操縱的開關(guān)必須安裝在與駕駛員雙手或雙腳便于操作的地方：必須由乘車人員來操縱的開關(guān)，要求便于乘車人員操縱，還要有特殊標記，以提示乘車人員操作方法，以避免誤操作。

4.電子功率開關(guān)在汽車系統(tǒng)的應用

感應加熱電源技術(shù)通過晶閘管、功率晶體管、功率場效應管和絕緣柵雙極型晶體管等電力電子功率開關(guān)器件，將供電網(wǎng)絡(luò)50Hz的工頻電源變換成400Hz～200kHz的中高頻電源。由于它具有靈活的控制方式、輸出功率大、機組效率高、變換運行頻率方便等優(yōu)點，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應用。電力電子功率開關(guān)器件是感應加熱電源技術(shù)的基礎(chǔ)，是感應加熱電源裝置的心臟。感應加熱電源裝置的主功率開關(guān)器件決定著系統(tǒng)裝置的體積、重量、效率、控制方式、工作性能和系統(tǒng)可靠性。每當一種新型功率開關(guān)器件的研發(fā)成功，都會促使誕生新一代的感應加熱電源裝置。

常用的電力電子功率開關(guān)器件有單向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、大功率晶體管、功率場效應管、絕緣柵雙極型晶體管等，每種功率開關(guān)器件又根據(jù)不同的工作參數(shù)和用途，分成多種系列和不同型號規(guī)格的產(chǎn)品；在實際應用中，應根據(jù)產(chǎn)品的極限參數(shù)、工作參數(shù)、性能特點、控制方式及附加電路的繁簡，經(jīng)綜合考量后確定所選器件的型號規(guī)格。新興的電力半導體模塊是把兩個或兩個以上的電力電子功率開關(guān)器件的芯片按一定的電路連接，與輔助電路共同封裝在一個絕緣樹脂外殼內(nèi)制成。由于功率開關(guān)器件的模塊化，使各種電力電子裝置的效率、體積、重量、性能、可靠性和價格等技術(shù)指標和經(jīng)濟指標得到進一步改善和提高，因此當前晶閘管模塊、大功率晶體管模塊、功率場效應管模塊、絕緣柵雙極型晶體管模塊得到蓬勃發(fā)展和廣泛應用。在晶閘管模塊的基礎(chǔ)上，將晶閘管移相觸發(fā)電路與保護取樣傳感器電路共同封裝為一體，制成了晶閘管集成智能模塊（ITPM），從而使電力電子裝置的體積進一步縮小，可靠性進一步提高，安裝維修更加方便，使用操作更加簡單。國內(nèi)臨淄銀河公司已研發(fā)出大電流全控型整流逆變、交流電動機軟啟動、雙閉環(huán)直流電動機調(diào)速等專用晶閘管智能模塊。在絕緣柵雙極型晶體管模塊的基礎(chǔ)上，把絕緣柵雙極型晶體管芯片、快速二極管芯片、控制和驅(qū)動電路、過壓、過流、過熱和欠壓保護電路及自診斷電路等封裝為一體，制成絕緣柵雙極型晶體管智能控制模塊（IPM）。它為電力電子逆變器高頻化、小型化、高性能和高可靠性奠定了器件基礎(chǔ)。

絕緣柵雙極型晶體管智能控制模塊采用標準化的邏輯電平柵控接口，使與控制、顯示、操作板的連接更為方便。絕緣柵雙極型晶體管智能控制模塊的顯著優(yōu)點是故障狀態(tài)下的自我保護能力強。因而降低了功率開關(guān)器件的損壞幾率，大大提高了整機的穩(wěn)定性和可靠性，減少了維修工作量，增加了無故障工作時間。為了適應微機控制和大容量工業(yè)電力變流裝置和電動機驅(qū)動的要求，在絕緣柵雙極型晶體管智能控制模塊的基礎(chǔ)上把變流裝置的全部硬件集成在同一芯片上，開發(fā)出高集成化、智能化、標準化、適合各種不同應用要求的用戶專用功率模塊（ASPM），如絕緣柵雙極型晶體管逆變專用功率模塊就是把逆變裝置的整流器、逆變器的絕緣柵雙極型晶體管和FWD、制動絕緣柵雙極型晶體管及快速二極管集成在一個芯片上，不再用額外的引線連接，因而體積小、重量輕、系統(tǒng)成本低、寄生電感小、可靠性更高。

參考文獻：

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[2]陳春，王友龍.電子功率開關(guān)在汽車電氣系統(tǒng)中的應用[J].汽車電器，2010（08）.