当今汽车技术发展的一个主要趋势就是从14V系统

        考虑到安全及经济性，42V系统成为一个理想的选择。之所以选择42V，是因为人体所能接触的安全电压的上限是直流60V。在考虑到电压波动的裕量后，42V成为一个很优化的选择。采用这一电压，首先可以免去额外的绝缘设计，从而降低成本。其次，传输同样的直流功率，电流只有14V系统的三分之一，从而减低了电机及电力元件的电流负荷，也使导线及功率元件的传输损耗降低为原来的近九分之一，从而可以减小导线截面积以降低重量。从另一  个角度说，在保持同样电流负荷的情◆下，传输功率会提高到原来的三倍。

        42V系统的应用将影响整个汽车电器系统的结构及特性。其中几个主要的变化将是一体化起动/发电机，直流/直流转换器和电助力方向盘控制。

        一体化起动/发电机系统 (ISA：Integrated Starter/Alternator)

        一体化起动/发电机系统是42V系统中的一个热点。之所以整合汽车的起动电机和发电机成为一个一体的双用途电机，是因为汽车内电器的功率要求。一般家用汽车的起动电机功率在3KW左右，而发电机功率在1KW。但随嗬汽车内电器的日益增多，发电机功率将在不久的将来达到3KW的水平。因此使一体化成为可能。另外，由于起动与发电是两个相互独立的过程，因而如将这两种电机一体化，材料利用率将提高，前机盖下的可利用空间也将可提高。不仅如此，传统发电机的效率很低，大约为50%到60%。而一体化电机在发电机状态，其效率可达80%。

        另外，这一技术可以实现发动机的起停控制，提高燃油效率。就是说，当汽车在交通灯前停止时，关闭发动机。在起动时，先由起动机带动发动机达到一定转速，再给发动机点火。由于发动机在从零转速达到额定的加速过程中是燃油效率最低，燃烧最不充分的，因而，采取这一措施会提高燃油效率并降低污染。

        一体化起动/发电机的另一个特点是可再生制动。即在制动过程中，将机械能转化为电能给蓄电池充电，从而提高发动机效率。

        这一设计的主要挑战来自两个方面。一方面是电机设计，一方面是功率驱动及控制。

        1. 电机设计
        在电机设计上，首先的问题是选用何种电机。众所周知，电机的设计要么基于电动机运行，要么基于电机运行。要折衷设计出一个电机来完成电动与发电功能，优化设计是关键。

        当前主要有四种电机可作为候选。

        第一种是永磁无刷直流机。它单位体积输出功率高、体积小、起动转矩大。问题一是转矩脉动，二是需要较贵的位置传感器，三是永磁材料成本高，且在短路或重载运行时会去磁。

        第二种电机是异步机。它的优点是结构简单，维护简便， 控制技术成熟。缺点是体积大，?功率调速范围窄，而且起动电流大，因而对逆变器功率元件要求较高。

        第三种电机是永磁同步电机。它的特点是控制灵活、调速范围宽、力矩波动小。缺点一是永磁材料会在重载下去磁， 二是驱动控制系统成本高。

        最后一种电机是开关磁阻电机。优点是高速性能优越，结构简单，相间耦合小，可以缺相运行。缺点是噪音高，驱动电路特殊，成本高。[page]

        从当前的应用现状看，日本汽车厂家多采用永磁无刷直流机；大部份美国厂家选用异步机；而在欧洲，两种电机都有应用。当然，另外两种电机也处于很活跃的试验研究阶段。最终的电机选择将依赖于功率等级、电机及驱动电路的成本，电机与发动机的耦合方式，以及系统性能的全面考虑。

        2. 功率

   &n bsp;    对于一体化起动/发电机系统，功率驱动是一个更严峻的挑战。由于驱动及控制系统占整个一体化起动/发电机系统价格的60%到90%。因此，对于对价格非常敏感的汽车工业，在满足性能要求的基础上，降低成本成为一个赢得市场的关键。

        从性能及导热设计的角度，功率元件的尺寸越大越好。而从价格上看，当然晶片的尺寸越小越经济。所以，功率驱动系统的优化设计至关重要。

        在汽车应用中，由于直流总线的电压是42V，因此对于这一大电流小电压的应用领域，MOSFET是当然的选择。然而，因为前机盖下的工作温度在 到+ 之间，这对MOSFET提出了非常高的要求。同时，由于电机的频繁起停和负载变化，瞬态电流会达到稳态电流的几倍。因此，对元件的过流能力及散热设计都要有较高要求。

        此外，MOSFET的导通电阻要尽量减低以达到降低导通损耗的目的。而导通电阻和击穿电压成反比，因而，MOSFET的击穿电压要尽量低。但是，电路中的杂散电感会在MOSFET关断过程中引起电压过冲而使MOSFET工作于雪崩状态，从而使开关损耗增加。因而，从减低开关损耗的角度看，击穿电压要高才好。将这两个要求折衷考虑，击穿电压75V到100V的MOSFET为较优化的选择。

        另外，散热及可靠性也都须在元件选择及系统设计中给以考虑。不仅如此，在这一应用中，采用单一的大尺寸MOSFET成本较高。为降低价格，常采用小尺寸MOSFET并联以满足功率要求，所以，元件间要有很好的参数一致性，并且要合理布局电路来均布杂散电感，以防负荷不均匀引起元件损坏。

        国际整流器(IR)公司针对这一应用设计了几种MOSFET，例如 IRBT2907，IRFB3808及更新型的针对汽车应用设计的沟道形MOSFET。这些产品的共同特点是：极低的导通电阻(Rdson)，以满足低导通损耗的要求；极小的开关时间，以减低开关损耗。同时，为降低及有效控制杂散电感，IR也提供模块解决方案。如图3所示，两个并联的MOSFET芯片构成一个开关，其驱动电路则与其紧凑的设计在一起。这一开关可承受600A的峰值电流。

        除了对功率元件的要求外，一体化起动/发电机也对控制系统提出了较高的要求。首先，电机要能在宽广范围内平滑调速，并实现?功率控制。同时，作为发电机运行时，要同时具有稳定42V直流总线电压的功能；其次，要有完善的保护功能，以达到汽车工业的标准；最后还要严格控制价格，例如，去掉昂贵的位置传感器，利用电流、电压信号实现无位置传感器控制，从而减低成本。V总线成为汽车工业的标准，从14V到42V的转换仍需要很长时间。即两种电压系统要共存。所以一个直流/直流转换器将成为必需。图4显示了集中式直流/直流转换器的结构。 [page]

        当一体化起动/发电机工作于发电机状态时，不但36V蓄电池会被充电，12V蓄电池也会通过直流/直流转换器而被充电。两个电压系统各自带动相应负载。当负载波动时，直流/直流转换器可以控制功率的流向以平衡负载。如果在起动时36V蓄电池电压过低，汽车需要跳起动(JUMP START) 。这时，直流/直流转换器可以通过本车上或另外车上的12V电源来带动起动机，从而起动发动机。

        由于直流/直流转换器工作在100KHz到150KHz的开关频率下，因此功率元件的开关损耗将占总损耗的大部份。所以要求功率元件有尽量快的开关速度，即尽量小的栅电荷。然而，如果开关速度过快，本征二极管的反向恢复过程(如图5)会很硬。即 很大，从而使段的di/dt非常高。这会在杂散电感的影响下 引起漏极与源极间电压很大的波动(Ringing)。这一过程所产生的损耗并不显著，然而，它所产生的高频电磁干扰(EMI)◆会通过传导(Conductive EMI) 和放射(Radiated EMI) 的方式对汽车◆的其他电器产生影响 。例如，这一高频电磁干扰通过直流总线传输到音频电路中，从而干扰调频收音机的收听效果。

        所以，从设计角度上，要求MOSFET有尽量小的反向恢复电荷，并有尽量软的恢复过程。从而使电磁干扰在工业标准限度内。否则，对电磁干扰滤波器的设计要求会更高，成本也会大幅度提高。

       电助力方向盘控制

        这一系统与一体化起动/发电机的驱动很接近，只是控制是点位控制不是速度控制，且功率

        由于电机在这一系统中工作于频繁起停的状态，瞬态电流会因为杂散电感的影响而引起很高的电压过冲。所以，如用离散元件设计的逆变器，电路板和连线要小心安排以降低杂散电感。如果对性能有更高的要求，将功率驱动部份作成模块是一个很好的解决方案。

        由于这一应用的电流较低，很多新的电力电子技术已被应用于这一领域。其一是智能开关(IPS - Intelligent Power Switch)，它将多种保护和诊断功能集成在同一芯片上，从而使其可靠性大大提高；其二是带温度感应及电流感应功能的MOSFET，例如HEXSENSE。它可以直接反馈和电流成正比的电压信号，从而省去了昂贵的电流传感器。

        不仅是上面所提到的几个系统，其他的汽车电器系统也都在向42V转换，例如防抱闸系统(ABS)。动态悬挂系统(EAS-Electric Active Suspension)。发动机的电磁阀控制(EMV-Electromechanical Engine Valves)， 而所有这些转换都和电力电子技术紧密相连。

        需要说明的是，一体化电机系统及整个42V系统的广泛应用不仅取决于系统安全性、舒适性及燃油效率的提高，还取决于与传统技术相比其价格的可比性。对于消费者来讲，汽车内部的电器系统是14V还是42V无关紧要，性能价格比才是一个重要因素。所以，降低功率元件的成本将对这一新系统的实际应用起到重要作用。