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汽車電子功率MOSFET

發布時間:2008-11-05 來源:飛兆半導體公司

中心論題:

  • 關斷電壓等級、系統功率要求、系統智能性和產品系統成本等四大要素推動著汽車電子功率器件的演進
  • 詳細介紹當前汽車電子系統功率MOSFET的發展狀況
  • 汽車電子MOSFET發展的一個最終方向是提高感測、控制和保護功率開關的能力

解決方案:

  • 采用溝道型MOSFET以獲得更高的單元密度和更低的導通阻抗
  • 進一步降低導通阻抗,獲得更高功率密度的方法之一是使用混合模塊
  • 集成功率器件到智能化車載系統中去
  • 還要充分考慮到產品和系統的成本以及可靠性的重要程度

過去15到20年間,汽車用功率MOSFET已從最初的技術話題發展成為蓬勃的商業領域。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車電子系統中常遇到的掉載和系統能量突變等引起的瞬態高壓現象。且封裝很簡單,主要采用TO220 和 TO247封裝。電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應用已逐漸成為大多數汽車的標配,在設計中需要類似的功率器件。在這期間,隨著電機、螺線管和燃油噴射器日益普及,車用功率MOSFET也不斷發展壯大。

今天的汽車電子系統已開創了功率器件的新時代。本文將介紹和討論幾種推動汽車電子功率器件變革的新型應用。還將探討實現當前汽車電子系統功率MOSFET的一些發展狀況。這些發展將有助于促進汽車電子行業向前,特別是在一些新興市場如中國。

市場動態
新型應用中有4大要素在推動汽車電子功率器件的演進:

  • ? 足夠的關斷電壓等級 (Bvdss)
  • ? 系統功率要求
  • ? 系統智能性/生存能力 (survivability)
  • ? 產品和系統成本

一直以來,汽車電子應用都采用Bvdss約60V的功率器件。然而,新的系統同時使用更高和更低的電壓等級,以更具成本效益的方式提供前所未有的系統性能。

高壓電/磁電噴射系統和高強度照明是兩種廣為流行的應用,都需要擊穿電壓高達150V 到 300V的功率MOSFET。勢能更高的壓電和磁電燃油噴射系統能夠提供更準確的燃油噴射和更精細的空氣/燃油混合比例,使到燃燒更充分,有害排放得以降低,并最終提高性能。

相比普通白熾燈,高強度照明技術消耗更少的能量卻能夠產生更大的照明強度。這樣不僅可以提高駕駛人員在夜晚或惡劣天氣條件下的能見度,同時也便于其它駕駛人員看到自己的車輛。

除了電壓更高的汽車電子功率應用之外,車輛內部消費應用產品快速的涌現也對電壓范圍提出更高要求。CD/DVD播放器、衛星無線電、手機、GPS導航、MP3播放器接口就是需要功率MOSFET器件的新型應用之例子。這些應用所需的實際功率一般低于采用更小的分立或集成式元件的功率范圍。功率器件具有它們所服務的消費產品的相同特征。在上述應用中,尺寸非常重要,故往往采用PCB封裝占位面積更小,或表面安裝的新型功率器件。Power 56 和 Super SOT SSOT 6等封裝普遍用于這些應用,在很小的封裝中提供相當高的功率處理能力。

圖1. 各種汽車應用及其相關電壓和功率范圍的幾個實例


圖2. 目前用于汽車電子的眾多標準分立式封裝的幾個實例

許多歷來是機械或液壓式的車載系統正在向電動或電動/液壓混合系統轉型。首當其沖的是散熱器風扇。采用電動電機后,可以去掉風扇皮帶,風扇可利用現有引擎或根據冷卻劑溫度來進行更精確的控制。其它類似應用還有電動助力轉向 (EPS)、集成式啟動器交流發電機 (ISA) 和主動式懸掛系統。電動助力轉向和主動式懸掛系統為車載系統設計人員提供了相當大的靈活性,讓他們可以在多個車輛平臺上使用硬件系統,并通過軟件修改來改變車輛從輕便到豪華型的感覺。

這些電動/機械系統的特征之一是使用的功率等級極高,因此需要大電流功率開關。為了能夠以盡量小的損耗提供最高的電流轉換,這些應用一般采用額定電壓30V 到 40V的高性能溝道型MOSFET (Trench MOSFET)。

功率MOSFET解決方案
溝道型MOSFET的采用已成為當前大部分車載應用的標準。傳統的平面型MOSFET建立在硅晶圓表面之上,而溝道型MOSFET是在硅片上蝕刻垂直溝道,從而讓功率開關得以擁有更高的單元密度和更低的導通阻抗。由于這些電子機械系統大多數都采用了MOSFET H橋式電機驅動結構,兩個器件總是串聯以便使用更低電壓的MOSFET,同時仍然可以耐受常見的汽車高電壓沖擊現象。相比60V MOSFET,這些擊穿電壓更低的器件能夠把開關的導通阻抗降低50%,這意味著系統功耗減少50%,亦即系統發熱減少,最終把散熱要求降至最低。

圖3. 溝道型與平面型 MOSFET之比較


圖4. H橋式電機配置

隨著車載系統設計人員在低電壓功率MOSFET方面累積更多的工作經驗,并開始認識到其性能和成本優勢,低電壓功率MOSFET的應用范圍正在向剎車和顯示屏控制等其它低功率系統擴展。

現在的功率溝道型MOSFET的導通阻抗 (RDS(ON)) 低至1或2毫歐。這雖然大大降低了系統功耗,但給車載系統設計人員帶來了其它復雜性,包括板上布線、系統連接以及封裝中引線在內的寄生阻抗給系統帶來的額外阻抗很可能超過了實際的MOSFET (自身導通阻抗)。要進一步降低導通阻抗,獲得更高功率密度的方法之一是使用混合模塊。當前許多應用都已開始放棄傳統的功率封裝解決方案,改為在IMS (絕緣金屬基板) 或 DBC (直接鍵合銅) 等材料制作的絕緣基板上安裝裸片。即使在使用相同功率硅芯片的情況下,相比分立式功率封裝,這些模塊提供的能量和電流能力都更高。模塊能夠提供更高密度的裸片鍵合或更大的裸片引線鍵合,可減小互連阻抗,同時又把功率元件之間的距離減至最小。這種更高能量密度的代價是元件成本較分立式封裝方案高。不過,對于高能量系統,系統尺寸和性能方面的改進足以彌補器件成本增加的缺憾。

圖5. 汽車混合式模塊的示例

汽車電子MOSFET發展的一個最終方向是提高感測、控制和保護功率開關的能力。功率器件正在集成到智能化車載系統中。在最低功率級別,MOSFET現在可以與功率器件上的感測元件一起使用。這些感測元件能夠測量電流或溫度,并能夠連接到電子設備上以監控系統性能,并在出現過流或過熱情況時保護功率器件免受損害。

30V 到 60V范圍的低功率器件正在集成到包括串聯接口和微控制器在內的單片式IC中。這種專用的單片IC能夠控制小型電機,甚至可能通過電機和門鎖控制整個門節點。對于更高能量的應用,單片式IC在成本或技術上都不可行,但可以采用創新的封裝解決方案來實現集成。通過把大功率MOSFET和控制集成電路整合在單個封裝中,可以構建超高功率的智能系統。


圖6所示為目前車載系統中采用多芯片封裝的幾個實例。這些智能化器件可以提供更高的系統性能監控能力,通過集成保護功能提高功率系統的可靠性。如過流、過壓和過熱保護等功能都是這類產品的標配。當器件感測到有可能發生上述異常狀況時,能夠把功率MOSFET置于自我保護整個系統的環境中。此外,這些器件還集成有附加診斷功能,用以監控負載開路或短路,有助于指導汽車機械裝置隔離和糾正車輛中出現的問題。

最后,或許也是所有應用背后最重要的推動力量,以及眾多這類技術可用的原因所在:即是產品和系統成本。在汽車業務中,有不變的推動力一直在降低產品和系統的成本。其不僅推動元件成本的降低,也推動車輛擁有成本的降低。在本文中,還把可靠性也視作成本推動力。可能導致線路故障或現場故障的低成本功率器件并不是真正的低成本器件。在選擇汽車所采用的元件時,系統設計人員必須把成本和可靠性作為主要的推動力量。本文討論的產品都是專為車載應用及系統而設計的,并針對汽車終端使用而特性化及鑒定資格。汽車市場已為功率和智能功率器件建立了幾個產品認證標準,比如AECQ100 和 AECQ101標準。面向汽車市場開發和供應的產品必須經設計和特性化,以滿足這些嚴格標準的要求,確保終端系統的性能能滿足設計人員,更重要的是,滿足車主對產品價值的期望。

小結
過去,選擇60V 還是 55V往往是最大的設計問題之一,而經過數年的發展,如今汽車內部的功率器件和設計考慮事項在廣度方面已取得了長足的進步。隨著電子系統針對娛樂、儀表板、動力傳動控制、安全性、車廂和穩定性控制以至車身及便利性控制等不斷發展,一般汽車中的功率器件數目已是數以百計,并且正在急劇增加之中。選擇正確的器件現已成為一項艱巨的挑戰,需面對許多不同的技術選項,以達致所需的性能和成本目標。

 

 

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