CO2法规促进汽车电子行业创新设计

　　多年来，围绕空气污染和全球气候变化的健康和环境问题迫使政府部门制定减少污染物排放的法规，尤其是针对汽车行业。由于引入了更清洁的燃料、催化转换器、粒子滤波器和更高效的引擎，已经取得了很多进步。然而，所有这些进步都被每年不断增长的汽车销售量抵消，政府部门需要向不满足污染排放物如 CO2 减少目标的汽车制造商施加更严苛的限制，包括罚款。图1显示全球范围内客车如何持续随时间减少其 CO2 排放量，以及政府在全球范围内持续强制实行限制的目标。

　　

　　图1，客车的 CO2 减排目标［ 1］

　　汽车制造商减少内燃机 CO2 排放量并满足其目标的一种方式是实现汽车电气化，类似于电动火车： 混合动力电动汽车将内燃机与 50 kW 至 100 kW 电动机相结合，只要可能都可以加速或关闭引擎，能够减少 CO2 排放量 20% 至 40%。电动汽车完全依赖 200 kW 或更高功率的电动机，不会释放任何污染物，因为其运行无需 ICE。

　　从电动机运行需要的高功率，需要将电流限制在合理的大小并且需要保持相对较轻的配线，以及需要符合高电压安全标准的角度来看，EV 和 HEV 需要庞大的高电压电池，并且需要完全重新设计汽车内的电气结构。根据电气化程度，这样的系统成本可能达到 $4k 至 $10k。不幸的的是，对于大多数人来说，这过于昂贵，并且会质疑这种汽车是否会在市场上广泛销售并能减少路上成千上万车辆排放的尾气。

　　为了降低成本，汽车制造商正在考虑减少其高电压系统的重量和大小，导致了大量的研发投资投入到体积更小、效率更高、持久性更长的电池系统。这种电池系统采用功率损耗更小的半导体材料，能够以更高的温度运行并且产生更少的噪音；这种电池系统采用的封装解决方案体积更小，引入更少寄生噪音，在运行期间能够更好地驱散产生的热量，并且能够耐受更高的温度。通过采用更小的电池、更小更轻的冷却系统和更小的噪音滤波系统，EV 和 HEV 的成本最终应该会降下来，从而允许在市场上广泛销售 EV 和 HEV。

　　作为克服目前 EV 和 HEV 成本限制的一种替代方案，欧洲汽车制造商正在研发一种依赖 48 V 板网的轻度混合型汽车。选择刚好低于高电压安全阀值的电池电压，从而确保不需要严格和昂贵的预防措施来预防高电压安全危险，同时仍能够提供足以运行 10 kW 至 20 kW 皮带式起动发电机电动机的功率，通过提供基本的功能如起动/停止和被动滑行，能够减少 CO2 排放量 20% 至 30%。此外，48 V 板网克服了 12 V 电池的功率限制，并且允许实现辅助功能的电气化，如水泵和涡轮增压器，从而实现更好的引擎管理。在实现相同的性能时，引擎能够减小尺寸并消耗更少的燃料，进而减少 CO2 排放。最后，48 V 板网还提供足以单独运行空调压缩机和其他类型泵的功率，在传统汽车中这些都是由引擎通过皮带拖动的，并且若未充电不管何时引擎为了节约燃料的目的（滑行、起动/停止）而停止运行时都会停止。

　　该 48 V 板网成本大约增加 2.5k 美元，其 CO2 排放和燃料节省与成本增加之间的比例比 HEV 或 EV 要好。另外，它并不比大众市场上广泛接受的柴油引擎昂贵，因此更有希望在市场上被广泛接受。然而，此类汽车的成本也会有所增加，这也是需要排除的一个障碍。

　　进一步降低 48 V 系统成本的挑战与 EV 和 HEV 类似：需要持续开发更小、更轻和更高效的系统，只有在得到整个汽车供应链包括半导体行业的支持后才能实现。

　　Fairchild完全致力于支持 CO2 减排，持续与汽车制造商和系统供应商互动开发和提供汽车行业最先进的技术。通过其屏蔽栅极 MOSFET、场截止沟道 IGBT 和 SuperFET，涵盖中电压等级 30 V 至 100 V 和高电压等级 600 V 至 900 V，Fairchild 显著提高了硅性能。改进包括包含硅片的封装已成为限制因素，并且在该领域，Fairchild 再次发挥其专长，提供先进的封装解决方案如功率模块、H-PSOF （TOLL）、PQFN5x6，该封装占位面积较小，允许驱动更高的电流，具有更少的电气寄生效应。通过提供具有更高功率密度的大量元件组合，Fairchild 为系统设计人员提供灵活性，设计可扩展解决方案，减少其系统

　　中并联元件的数量，简化其电路板设计，有利于装配并且可以在以前根本不可能的地方安装功率半导体，并最终减小其系统的尺寸和重量，实现最高可靠性。

　　不用说这样的解决方案需要在严苛的运行条件下完全符合可制造性、质量和可靠性方面的汽车要求，这就说明了为什么在众多可能的解决方案中，只有少数能够在市场上取得成功。

　　汽车电气化发展越来越快，并且在竞争非常激烈的环境中，上市时间和限制开发成本的需要一直都非常关键。半导体公司一向在采纳任何新的未经验证的新东西时都非常保守和谨慎，对他们来说，支持汽车行业真的是一个挑战。由于快速增长的市场，传统的试错方式不再被接受，半导体公司必须提高他们的建模能力。通过独特的物理可扩展模型［ 2］以及封装交叉耦合模型，不管背后的流程和物理原理有多复杂，［ 3］ Fairchild 都允许设计人员轻松预测封装中的硅性能，并且根据其精确需要进行优化。

　　最后但同样重要的，甚至在汽车行业，包括半导体公司在内的供应链都致力于通过更佳的自然资源管理、减少浪费，并在装配流程中积极采用环境友好的材料来实现环保。这就说明了（例如）功率模块是如何利用完全符合 RoHS 要求的绿色材料开发的，附着焊锡中根本不含铅，同时仍满足引擎盖下严苛工作条件下长久可靠性的汽车要求。

　　总之，汽车已经持续减少其 CO2 排放量，但也被路上持续增多的汽车抵消。政府部门已经定义了电动汽车可以实现的严苛 CO2 减排目标。已有的 EV 和 HEV 解决方案促进了显著创新，但由于系统成本仍然很高，大规模扩展应值得怀疑。作为替代方案，48 V 网板系统目前提供更佳的燃料和 CO2 减排与成本之比。在快速增长的市场上，Fairchild 为汽车行业提供了采用先进封装解决方案的最新硅技术和独特的建模能力，允许汽车制造商和系统供应商根据具体需要优化系统，减少尺寸和重量，节省燃料，并最终减少 CO2 排放。
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