人們對半導(dǎo)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(yīng)用而言是合理的。而當(dāng)某個應(yīng)用還能利用一個智能半導(dǎo)體功率開關(guān)提供的附加功能時，則應(yīng)該基于系統(tǒng)總成本對兩者進(jìn)行比較。 

        在計算系統(tǒng)成本時，不僅需要考慮智能半導(dǎo)體功率開關(guān)本身的純功能優(yōu)勢，而且還應(yīng)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(dāng)于每加侖80英里)的汽車，其較低的功率預(yù)算和由此帶來的成本節(jié)省不應(yīng)當(dāng)被忽視。

半導(dǎo)體功率開關(guān)具有更多功能 

        在汽車應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(jī)。 

        與機(jī)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(fù)載。例如，燃料泵可以借助功率半導(dǎo)體開關(guān)靜靜地打開或關(guān)閉，但除此之外，智能功率半導(dǎo)體開關(guān)還能提供很多附加的功能。采用半導(dǎo)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(fù)載、電纜和保險絲了。英飛凌科技公司的智能功率半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)計用于在發(fā)生短路時保護(hù)系統(tǒng)不受損害，當(dāng)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(fù)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(dǎo)體開關(guān)提供的另外一個附加功能是過壓保護(hù)。所有的PROFET和HITFET功率半導(dǎo)體開關(guān)(圖1)都具有動態(tài)過壓(例如負(fù)載陡減或出現(xiàn)Schaffner脈沖)保護(hù)功能。這個功能包括關(guān)斷感性負(fù)載在內(nèi)。在此類情況下，在開關(guān)兩端產(chǎn)生的負(fù)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(jī)械開關(guān)不同的是，它不需要額外的元件。 

        智能功率半導(dǎo)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(yīng)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(fù)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(jī)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(dǎo)體功率開關(guān)可以設(shè)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(yīng)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(dá)速度控制等新的應(yīng)用。PWM使得我們可以很容易地對電流和功率進(jìn)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(yīng)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(zāi)的防護(hù)。此外，電纜導(dǎo)體的橫截面可以做到與額定負(fù)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(fù)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(dǎo)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(jī)所消耗的功率都在80到250瓦之間，具體數(shù)值同設(shè)計有關(guān)。發(fā)動機(jī)輸出設(shè)計成在全速狀態(tài)下需要最大流量燃油。當(dāng)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(shè)計成按實際需要提供燃油，那么該發(fā)動機(jī)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(jī)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(dāng)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(fù)載。目前，由于很多這些負(fù)載仍通過內(nèi)燃機(jī)采用機(jī)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(jìn)行控制或調(diào)節(jié)的設(shè)備，另外一個適合的應(yīng)用是液壓方向盤控制：僅當(dāng)導(dǎo)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(jī)(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?dāng)這個周期開始時，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(rèn)為1千瓦左右的發(fā)電機(jī)，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(dá)到。

依靠電能管理進(jìn)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(jī)、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(shè)計和制造的總成本。由于功率半導(dǎo)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(yīng)地減小負(fù)載或泵。這反過來又節(jié)省了泵的設(shè)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(shè)計成本。每降低一千克的重量，可以把一輛車的設(shè)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(fù)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(yīng)用系統(tǒng)中，這個數(shù)字可以提高幾倍。如果所有負(fù)載都可以同時接通，那么發(fā)動機(jī)、電池和電纜必須設(shè)計得可以承受這個最大負(fù)載。但是，如果能夠按一定次序地和智能地接通負(fù)載，那么一些大電流負(fù)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(fù)載，也可以通過PWM(圖4)把負(fù)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(dǎo)致的電壓下降，各種電機(jī)也可以按不同的時延進(jìn)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(fù)載和動力線，從而大大增強(qiáng)整部車輛的安全和防盜能力。

智能功率半導(dǎo)體開關(guān)可降低油耗 

        在汽車工業(yè)中使用智能功率半導(dǎo)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(jī)電負(fù)載，尤其是機(jī)電負(fù)載。這里，英飛凌的智能功率半導(dǎo)體開關(guān)可以幫助汽車工業(yè)實現(xiàn)不但在經(jīng)濟(jì)上可行而且在環(huán)境上友好的解決方案。