汽车电气系统中电子功率开关的应用

赵硕 李耀飞

摘要：科技不断的提升着汽车的质量和性能，汽车本身所带的功能也越来越齐全，这些功能的出现带给了消费者很多便捷，也不断地丰富着汽车电气系统，这些功能的普及也得力于电气系统中电子功率开关的应用。

关键词：汽车；电气系统；电子功率开关

1.汽车电路与电气系统的基本组成

汽车整车电器设备包括满足车辆运行的基本设备和为了提高车辆安全性、舒适性而增加的一些电子控制系统组成。其主要的电气设备包含有：电源系统、起动系统、点火系统、照明信号与警告系统、仪表系统以及其他辅助电器。电子控制系统包含有：电子控制燃油喷射系统（EFI-Electronic Fuel Injection）、电控自动变速器（AT-Automatic Transmission/ Transaxle）、电控悬架系统（Electronic suspension system）、电动转向系统（EPS- Electronic Power Steering）、制动防抱死系统（ABS-Anti-lock Brake System）、辅助乘员保护系统（SRS-Supplemental Restraint System（安全气囊）、自动空调（A/C-Air Condition）。

汽车的种类很多，但其电器电路的设计一般都遵循一定的规律。汽车电路结构，工作过程和故障性质等方面具有共同特点，汽车电气系统的电路特点如下：

其一是所有的汽车电路结构都采用低压供电的单线制接入方式，目前汽车所用的蓄电池电源一般是直流电源，其通用的电压通常为12福特，汽车上所有用电设备是并联的，汽车发动机、底盘等金属机体，作为各种电器的公用电路，由用电器到电源只需一条导线。

其二是用电设备的并联状态，汽车上所有的电气设备都各自串联在支路中，与电源并联，并且各支路由单独的开关控制，互相独立，互不干扰。

其三体现在汽车电路的保护装置上，根据相关规定，汽车电气设备都必须负极接铁，并安装了保护装置，一般串接在元器件回路中。

2.电子功率开关的应用特点

电子功率开关在汽车电气系统的应用特点有：

2.1可监控汽车外部环境的信息灯，如前车后尾灯、方向灯、动向灯等；

2.2对减轻交流电力、发动机之外的负荷量，可组装各式各样的零件设备，如电子功率内部设备等；

2.3根据汽车实际需求进行调控。

3.汽车电气开关的作用与分类

开关是汽车电气系统中不可缺少的重要部件。开关的作用主要是用来控制汽车的各种电气设备。开关的性能必须安全、可靠、耐用且便于操纵。开关的种类及结构形式种类繁多，分类方法目前不太统一，若按照操纵方式可分为手动和电动两类；若按开关的功能特点可分为纯机械多功能手动开关或手、脚、电间接混合控制开关。近年来，汽车采用的电气开关多为多功能手、脚、电混合控制开关。开关的种类虽然很多，但对开关使用性能的要求一致的，即开关必须具有如下共同的性能。

3.1汽车电气开关必须安全可靠开关是否安全可靠对正常工作来说是至关重要的。比如，在操纵开关过程中，不应有对人产生任何伤害的可能性；还应保证不发生由误操作或因开关可靠性而导致的对汽车电气设备的破坏。同时开关本身应具有一定的抗过载能力，以提高开关的使用寿命及可靠性。

3.2汽车电气开关的操纵性开关必须便于驾乘人员操纵，且有一定的机械强度。比如，由驾驶员操纵的开关必须安装在与驾驶员双手或双脚便于操作的地方：必须由乘车人员来操纵的开关，要求便于乘车人员操纵，还要有特殊标记，以提示乘车人员操作方法，以避免误操作。

4.电子功率开关在汽车系统的应用

感应加热电源技术通过晶闸管、功率晶体管、功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管等电力电子功率开关器件，将供电网络50Hz的工频电源变换成400Hz～200kHz的中高频电源。由于它具有灵活的控制方式、输出功率大、机组效率高、变换运行频率方便等优点，在工业生产中得到了广泛的应用。电力电子功率开关器件是感应加热电源技术的基础，是感应加热电源装置的心脏。感应加热电源装置的主功率开关器件决定着系统装置的体积、重量、效率、控制方式、工作性能和系统可靠性。每当一种新型功率开关器件的研发成功，都会促使诞生新一代的感应加热电源装置。

常用的电力电子功率开关器件有单向晶闸管、可关断晶闸管、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅双极型晶体管等，每种功率开关器件又根据不同的工作参数和用途，分成多种系列和不同型号规格的产品；在实际应用中，应根据产品的极限参数、工作参数、性能特点、控制方式及附加电路的繁简，经综合考量后确定所选器件的型号规格。新兴的电力半导体模块是把两个或两个以上的电力电子功率开关器件的芯片按一定的电路连接，与辅助电路共同封装在一个绝缘树脂外壳内制成。由于功率开关器件的模块化，使各种电力电子装置的效率、体积、重量、性能、可靠性和价格等技术指标和经济指标得到进一步改善和提高，因此当前晶闸管模块、大功率晶体管模块、功率场效应管模块、绝缘栅双极型晶体管模块得到蓬勃发展和广泛应用。在晶闸管模块的基础上，将晶闸管移相触发电路与保护取样传感器电路共同封装为一体，制成了晶闸管集成智能模块（ITPM），从而使电力电子装置的体积进一步缩小，可靠性进一步提高，安装维修更加方便，使用操作更加简单。国内临淄银河公司已研发出大电流全控型整流逆变、交流电动机软启动、双闭环直流电动机调速等专用晶闸管智能模块。在绝缘栅双极型晶体管模块的基础上，把绝缘栅双极型晶体管芯片、快速二极管芯片、控制和驱动电路、过压、过流、过热和欠压保护电路及自诊断电路等封装为一体，制成绝缘栅双极型晶体管智能控制模块（IPM）。它为电力电子逆变器高频化、小型化、高性能和高可靠性奠定了器件基础。

绝缘栅双极型晶体管智能控制模块采用标准化的逻辑电平栅控接口，使与控制、显示、操作板的连接更为方便。绝缘栅双极型晶体管智能控制模块的显著优点是故障状态下的自我保护能力强。因而降低了功率开关器件的损坏几率，大大提高了整机的稳定性和可靠性，减少了维修工作量，增加了无故障工作时间。为了适应微机控制和大容量工业电力变流装置和电动机驱动的要求，在绝缘栅双极型晶体管智能控制模块的基础上把变流装置的全部硬件集成在同一芯片上，开发出高集成化、智能化、标准化、适合各种不同应用要求的用户专用功率模块（ASPM），如绝缘栅双极型晶体管逆变專用功率模块就是把逆变装置的整流器、逆变器的绝缘栅双极型晶体管和FWD、制动绝缘栅双极型晶体管及快速二极管集成在一个芯片上，不再用额外的引线连接，因而体积小、重量轻、系统成本低、寄生电感小、可靠性更高。

参考文献：

[1]何涌琦.电动汽车电气系统故障分析与可靠性提高方法[J].汽车电器，2013（12）.

[2]陈春，王友龙.电子功率开关在汽车电气系统中的应用[J].汽车电器，2010（08）.