人們對半導體功率開關(guān)和繼電器的比較常常僅關(guān)注開關(guān)本身的成本,，這僅對于那些只關(guān)心開關(guān)功能的應用而言是合理的,。而當某個應用還能利用一個智能半導體功率開關(guān)提供的附加功能時，則應該基于系統(tǒng)總成本對兩者進行比較,。 

        在計算系統(tǒng)成本時,，不僅需要考慮智能半導體功率開關(guān)本身的純功能優(yōu)勢，而且還應該考慮它帶來的一些其它好處,，如對功率要求的降低和最終汽車耗油量的降低?，F(xiàn)在，汽車業(yè)界打算開發(fā)一種每百公里僅消耗三升汽油(相當于每加侖80英里)的汽車,，其較低的功率預算和由此帶來的成本節(jié)省不應當被忽視,。

半導體功率開關(guān)具有更多功能 

        在汽車應用中，智能功率開關(guān)的功能可基本上分為直接開關(guān)功能和附加功能,。此外,，半導體功率開關(guān)的使用還可能產(chǎn)生某種削減其它區(qū)域成本的替代效果,。例如,，如果智能功率半導體開關(guān)有助于降低整個系統(tǒng)的功耗，那么也許我們可以采用更小功率的汽車發(fā)電機,。 

        與機械開關(guān),、繼電器或分立元件的作用一樣，開關(guān)功能指的是接通或切斷一個負載,。例如,，燃料泵可以借助功率半導體開關(guān)靜靜地打開或關(guān)閉，但除此之外,，智能功率半導體開關(guān)還能提供很多附加的功能,。采用半導體功率開關(guān)來替代繼電器意味著，短路再也不會燒毀開關(guān),、負載,、電纜和保險絲了。英飛凌科技公司的智能功率半導體開關(guān)設計用于在發(fā)生短路時保護系統(tǒng)不受損害,，當然也包括所有饋線上的電感元件,。這種開關(guān)還具有抗過熱功能：即一旦溫度超過某個界限，它們將有選擇性地斷開任一負載的電流,。至于溫度上升是由電流過大引起的還是由外部熱源的影響所引起的,，對這些開關(guān)來說沒有分別。 

        智能功率半導體開關(guān)提供的另外一個附加功能是過壓保護,。所有的PROFET和HITFET功率半導體開關(guān)(圖1)都具有動態(tài)過壓(例如負載陡減或出現(xiàn)Schaffner脈沖)保護功能,。這個功能包括關(guān)斷感性負載在內(nèi),。在此類情況下，在開關(guān)兩端產(chǎn)生的負向電壓峰值可通過動態(tài)齊納嵌位限制在-50或-60V的典型值,。與機械開關(guān)不同的是,，它不需要額外的元件。 

        智能功率半導體開關(guān)也能提供診斷功能,。這一功能在同安全有關(guān)的應用系統(tǒng)中和系統(tǒng)維修中尤為有用,。由于診斷報告可以提供有關(guān)負載中斷的數(shù)據(jù)，臨時性故障數(shù)據(jù)可得到記錄和存儲,，而這將大幅度簡化故障診斷和定位過程,。汽車司機和維修人員難以發(fā)現(xiàn)的那些故障(如λ探針故障或washer管加熱器故障)現(xiàn)在通過這種方法可以很容易地找到。 

        一些半導體功率開關(guān)可以設計在高頻下工作,，它們可用來實現(xiàn)一些切換頻率非常高的應用,，如剎車燈或PWM(脈寬調(diào)制)開關(guān)。特別值得一提的是,，PWM已經(jīng)開創(chuàng)了調(diào)光燈,、驅(qū)動模擬閥門或馬達速度控制等新的應用。PWM使得我們可以很容易地對電流和功率進行監(jiān)控,。 

        要控制大電流,，首先必須知道電流的大小。借助PROFET和HITFET系列的新型開關(guān),，流過開關(guān)的電流可以通過一個相對于地的線性模式的感應信號估計出來,。這使得過載或隱性短路可以檢測出來，一旦它們超過所允許的最大持續(xù)時間,，就立即把開關(guān)斷開,。這種方法可在無須使用保險絲的情況下提供對過熱和火災的防護。此外,，電纜導體的橫截面可以做到與額定負載電流完全匹配,，這一節(jié)省可大大降低整個系統(tǒng)的成本。

智能負載控制可降低功率需求 

        盡管所有用戶都樂于利用功率半導體開關(guān)提供的附加功能,，但對于這些功能到底可以帶來多大的成本效益卻并未能取得共識,。不過，其替代價值顯示其具備明顯的,，這一點可以通過毋庸置疑的數(shù)字顯示出來,。 

        這些好處可以通過油泵的例子展示出來。不論車速多高,，油泵和發(fā)動機所消耗的功率都在80到250瓦之間,，具體數(shù)值同設計有關(guān)。發(fā)動機輸出設計成在全速狀態(tài)下需要最大流量燃油,。當引擎閑置時,，多余的燃油通過安全閥返回到油箱,，此時操作油泵只需要幾瓦的功率(圖2)。因此如果油泵能設計成按實際需要提供燃油,，那么該發(fā)動機的平均功耗將被減少到5瓦到50瓦之間,，具體數(shù)值取決于油泵容量。 

        采用智能控制至少可以把油泵發(fā)動機的功耗減少100瓦,。一般說來,，一輛汽車發(fā)電的效率相對較低：功率每增大100瓦，每百公里耗油量增加0.15升,。因此節(jié)省這100瓦功率相當于把車重減少50千克,。 

        表1列出了各種可以通過智能開關(guān)來降低功耗的汽車負載。目前,，由于很多這些負載仍通過內(nèi)燃機采用機械方式驅(qū)動,，因此控制起來比較困難。冷卻水泵是一個便于通過電力驅(qū)動裝置進行控制或調(diào)節(jié)的設備,，另外一個適合的應用是液壓方向盤控制：僅當導向輪需要轉(zhuǎn)向時才消耗功率,。與之相比，即使在直線行使時,，現(xiàn)在的轎車也總是需要消耗一千瓦的功率,。 

        表中給出的數(shù)字是近似值，而且顯然隨車型有很大變化,。但是,，它們清楚地表明,，在中程或豪華汽車中僅僅在駕駛系統(tǒng)中就可以節(jié)省幾百瓦。在這些類型的車輛中,，耗油量可以因而從目前的每百公里14升減少到大約6升。 

        為說明節(jié)省燃料的潛力,，圖3顯示了一款中檔車輛由發(fā)動機(80A)和空調(diào)系統(tǒng)引起的額外燃料消耗,。為了便于測試，這兩個系統(tǒng)是相互斷開的,，這樣，能量都只由電池提供,。在這些條件下，我們通過EUDC循環(huán)來確定耗油量,?？梢钥闯觯斶@個周期開始時,，即在平均速度較低時,，耗油量很大。隨著這個周期時間的延長,，在較高速度階段,，額外消耗降低到大約每百公里2-3升,。我們發(fā)現(xiàn),，對一個輸出功率默認為1千瓦左右的發(fā)電機，上面提到的每百公里額外消耗是非常保守的估計,，僅在最優(yōu)引擎速度時才能達到,。

依靠電能管理進一步降低系統(tǒng)成本 

        降低汽車的電能需求量意味著：可以采用功率更小的發(fā)動機、電池可變得更小,、電纜可具有更小橫截面,、以及汽車總重量可以降低,。 

        這可以降低汽車設計和制造的總成本,。由于功率半導體開關(guān)可以在短路和過載(例如油泵被阻塞時)情況下關(guān)斷,，很顯然,，我們可以相應地減小負載或泵,。這反過來又節(jié)省了泵的設計成本,，同時也減小了泵的重量,。 

        有幾個經(jīng)驗規(guī)則可用來估算設計成本,。每降低一千克的重量,，可以把一輛車的設計成本減少10到20DM(或每磅3-6美元)，每節(jié)省一瓦特的功率,，可以降低成本5-10DM(3-6美元),。 

        如果把一輛汽車中的所有電氣負載加在一起,，那么它對總靜態(tài)功率的需求將在一千瓦左右。在新型的大電流應用系統(tǒng)中,，這個數(shù)字可以提高幾倍。如果所有負載都可以同時接通,，那么發(fā)動機、電池和電纜必須設計得可以承受這個最大負載,。但是，如果能夠按一定次序地和智能地接通負載,，那么一些大電流負載也就沒必要同時接通,，從而可大幅度降低最大功率需求,。為實現(xiàn)這一點,，可以選擇性地關(guān)斷一些負載,，也可以通過PWM(圖4)把負載減小到最小需求值。 

        例如,，在ABS泵工作時，后窗的加熱元件可以暫時關(guān)斷,。為減小高峰電流增大所導致的電壓下降,，各種電機也可以按不同的時延進行切換,。這種電源管理方法也可以用于汽車防盜,。同樣的方法可用于在發(fā)生意外時有選擇性地切斷負載和動力線,，從而大大增強整部車輛的安全和防盜能力。

智能功率半導體開關(guān)可降低油耗 

        在汽車工業(yè)中使用智能功率半導體開關(guān)已是一個明顯的趨勢：不僅是用來實現(xiàn)一些附加的功能,，而且還可用來降低成本。制造一輛以3升燃料跑一百公里的汽車意味著必須優(yōu)化電氣和機電負載,，尤其是機電負載。這里,，英飛凌的智能功率半導體開關(guān)可以幫助汽車工業(yè)實現(xiàn)不但在經(jīng)濟上可行而且在環(huán)境上友好的解決方案。