推動(dòng)汽車(chē)電子功率器件變革的新型應用——功率MOSFET篇

過(guò)去15到20年間，汽車(chē)用功率MOSFET已從最初的技術(shù)話(huà)題發(fā)展到蓬勃的商業(yè)領(lǐng)域。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車(chē)電子系統中常遇到的掉載和系統能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現象，且其封裝簡(jiǎn)單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時(shí)，電動(dòng)車(chē)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(chē)的標配，在設計中需要類(lèi)似的功率器件。在這期間，隨著(zhù)電機、螺線(xiàn)管和燃油噴射器日益普及，車(chē)用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。

今天的汽車(chē)電子系統已開(kāi)創(chuàng )了功率器件的新時(shí)代。本文將介紹和討論幾種推動(dòng)汽車(chē)電子功率器件變革的新型應用。還將探討實(shí)現當前汽車(chē)電子系統功率MOSFET的一些發(fā)展狀況。這些發(fā)展將有助于促進(jìn)汽車(chē)電子行業(yè)前進(jìn)，特別是在如中國等一些新興市場(chǎng)。

市場(chǎng)動(dòng)態(tài)

新型應用中有4大要素在推動(dòng)汽車(chē)電子功率器件的演進(jìn)：足夠的關(guān)斷電壓等級 （Bvdss）、 系統功率要求、系統智能性/生存能力 （Survivability）。

產(chǎn)品和系統成本

一直以來(lái)，汽車(chē)電子應用都采用Bvdss約60V的功率器件。而新的系統同時(shí)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(shù)消耗更少的能量卻能夠產(chǎn)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(jiàn)度，同時(shí)也便于其它駕駛人員看到自己的車(chē)輛。

除了電壓更高的汽車(chē)電子功率應用外，車(chē)輛內部消費應用產(chǎn)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(wú)線(xiàn)電、手機、GPS導航、MP3播放器接口就是需要功率MOSFET器件的新型應用范例。這些應用所需的實(shí)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(wù)的消費產(chǎn)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（其占位面積更?。?，或表面封裝的新型功率器件。Power 56 和 Super SOT SSOT 6等封裝普遍用于這些應用中，在很小的封裝中提供相當高的功率處理能力。

許多歷來(lái)是機械或液壓式的車(chē)載系統正在向電動(dòng)或電動(dòng)/液壓混合系統轉型。首當其沖的是散熱器風(fēng)扇。采用電動(dòng)電機后，可以去掉風(fēng)扇皮帶，風(fēng)扇可利用現有引擎或根據冷卻劑溫度來(lái)進(jìn)行更精確地控制。其它類(lèi)似應用還有電動(dòng)助力轉向 （EPS）、集成式啟動(dòng)器交流發(fā)電機 （ISA） 和主動(dòng)式懸掛系統。電動(dòng)助力轉向和主動(dòng)式懸掛系統為車(chē)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(gè)車(chē)輛平臺上使用硬件系統，并通過(guò)軟件修改來(lái)改變車(chē)輛從輕便到豪華型的感覺(jué)。

這些電動(dòng)/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(kāi)關(guān)。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已成為當前大部分車(chē)載應用的標準應用。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(kāi)關(guān)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(dòng)結構，兩個(gè)器件總是串聯(lián)以便使用電壓更低的MOSFET，同時(shí)仍然可以耐受常見(jiàn)的汽車(chē)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(kāi)關(guān)的導通阻抗降低50%，這意味著(zhù)系統功耗減少50%，亦即系統發(fā)熱減少，最終把散熱要求降至最低。

隨著(zhù)車(chē)載系統設計人員在低電壓功率MOSFET方面累積更多的經(jīng)驗，并開(kāi)始認識到其性能和成本優(yōu)勢，低電壓功率MOSFET的應用范圍正在向剎車(chē)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2mΩ。這雖然大大降低了系統功耗，但給車(chē)載系統設計人員帶來(lái)了其它復雜性，包括板上布線(xiàn)、系統連接等。同時(shí)，封裝中引線(xiàn)在內的寄生阻抗給系統帶來(lái)的額外阻抗很可能超過(guò)了實(shí)際MOSFET的自身導通阻抗。要進(jìn)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(kāi)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(xiàn)鍵合，可減小互連阻抗，同時(shí)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(jià)是元件成本較分立式封裝方案高。不過(guò)，對于高能量系統，系統尺寸和性能方面的改進(jìn)足以彌補器件成本增加的缺憾。

汽車(chē)電子MOSFET發(fā)展的一個(gè)最終方向是提高感測、控制和保護功率開(kāi)關(guān)的性能。功率器件正集成到智能化車(chē)載系統中?，F在在最低功率級別，MOSFET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從而監控系統性能，并在出現過(guò)流或過(guò)熱情況時(shí)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(lián)接口和微控制器在內的單片式IC中。這種專(zhuān)用的單片IC能夠控制小型電機，甚至可以通過(guò)電機和門(mén)鎖控制整個(gè)門(mén)節點(diǎn)。對于更高能量的應用，單片式IC在成本或技術(shù)上都不可行，但可以采用創(chuàng )新的封裝解決方案來(lái)實(shí)現集成。通過(guò)把大功率MOSFET和控制集成電路整合在單個(gè)封裝中，可以構建超高功率的智能系統。

圖6所示為目前車(chē)載系統中采用多芯片封裝的幾個(gè)實(shí)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(guò)集成保護功能提高功率系統的可靠性。如過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱保護等功能都是這類(lèi)產(chǎn)品的標配。當器件感測到有可能發(fā)生上述異常狀況時(shí)，能夠把功率MOSFET置于整個(gè)系統自我保護的環(huán)境中。此外，這些器件還集成附加診斷功能，用以監控負載開(kāi)路或短路，有助于指導汽車(chē)機械裝置隔離和糾正車(chē)輛中出現的問(wèn)題。

最后，或許也是所有應用背后最重要的推動(dòng)力量及眾多此類(lèi)技術(shù)可用的原因所在即產(chǎn)品和系統成本。在汽車(chē)業(yè)務(wù)中，有不變的推動(dòng)力一直在降低產(chǎn)品和系統的成本。其不僅推動(dòng)元件成本的降低，也推動(dòng)車(chē)輛擁有成本的降低?？煽啃砸彩浅杀镜耐苿?dòng)力之一，可能導致線(xiàn)路故障或現場(chǎng)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(chē)所采用的元件時(shí)，系統設計人員必須把成本和可靠性作為主要的推動(dòng)力量。汽車(chē)市場(chǎng)已為功率和智能功率器件建立了幾個(gè)產(chǎn)品認證標準，如AECQ100 和 AECQ101標準。面向汽車(chē)市場(chǎng)開(kāi)發(fā)和供應的產(chǎn)品必須經(jīng)設計和特性化，以滿(mǎn)足這些嚴格標準的要求，確保終端系統的性能能夠滿(mǎn)足設計人員，更重要的是滿(mǎn)足車(chē)主對產(chǎn)品價(jià)值的期望。

過(guò)去，選擇60V 還是 55V往往是最大的設計問(wèn)題之一，而經(jīng)過(guò)數年的發(fā)展，如今汽車(chē)內部的功率器件和設計考慮在廣度方面已取得了長(cháng)足的進(jìn)步。隨著(zhù)電子系統針對娛樂(lè )、儀表板、動(dòng)力傳動(dòng)控制、安全性、車(chē)廂和穩定性控制以至車(chē)身及便利性控制等不斷發(fā)展，一般汽車(chē)中的功率器件數目已是數以百計，并且正在急劇增加中。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(shù)選項，從而實(shí)現所需的性能和成本目標。

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