人們對半導體功率開關和繼電器的比較常常僅關注開關本身的成本，這僅對于那些只關心開關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。

半導體功率開關具有更多功能

在汽車應用中，智能功率開關的功能可基本上分為直接開關功能和附加功能。此外，半導體功率開關的使用還可能產(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、繼電器或分立元件的作用一樣，開關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靜靜地打開或關閉，但除此之外，智能功率半導體開關還能提供很多附加的功能。采用半導體功率開關來替代繼電器意味著，短路再也不會燒毀開關、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，對這些開關來說沒有分別。

智能功率半導體開關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(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。這個功能包括關斷感性負載在內(nèi)。在此類情況下，在開關兩端產(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。與機械開關不同的是，它不需要額外的元件。

智能功率半導體開關也能提供診斷功能。這一功能在同安全有關的應用系統(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。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，流過開關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。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?，當這個周期開始時，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可以在短路和過載(例如油泵被阻塞時)情況下關斷，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可降低油耗

在汽車工業(yè)中使用智能功率半導體開關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。