科普混合動(dòng)力車(chē)中大功率元件的五大要素

　　盡管內燃機驅動(dòng)的汽車(chē)可以相對輕松地從12V電池供電和相應的12V/14V交流馬達獲取車(chē)載系統的電氣需求，但由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)採用了幾個(gè)系統，它們需要更高的功率等級。對于輕混、全混、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)或純電動(dòng)汽車(chē)而言，耗能最多的組件是馬達驅動(dòng)裝置。該裝置需要在沒(méi)有內燃機支援的情況下，至少在一定時(shí)間內有效驅使車(chē)輛行進(jìn)。為在不損失阻性連接通道上大部份電能條件下，為數十千瓦至上百千瓦的大功率馬達供電，大電流路徑需要實(shí)現更高的電壓（範圍為600V至1，200V）。但即使在如此之高的電壓條件下，所需的電流水平也不過(guò)為幾百安培。

　　高壓電網(wǎng)的導入，使汽車(chē)產(chǎn)業(yè)開(kāi)始採用兩個(gè)全新的功率密集型產(chǎn)品：將直流轉換成交流以驅動(dòng)馬達的DC-AC轉換器，以及在高壓電網(wǎng)和12V電網(wǎng)之間實(shí)現電能交換的DC-DC轉換器?；旌蟿?dòng)力汽車(chē)仍然需要12V電網(wǎng)，因為多數標準汽車(chē)電子系統都採用12V電源。

　　如前所述，換流器和轉換器需要管理幾千瓦的功率，因此需要配備最佳化半導體元件和高級封裝的十分復雜的高效電子裝置。因此，這種半導體平臺要滿(mǎn)足這些全新高功率電子系統的要求需具備下述性能：

　　1） 在各種應用中具備更高能效；

　　2） 更高的載流能力，在600V至1，200V典型電壓條件下，載流能力為100A至300A；

　　3） 更出色的機械和電氣性能，確保能夠經(jīng)受惡劣的汽車(chē)環(huán)境，同時(shí)滿(mǎn)足防失效設計所有安全和保護要求；

　　4） 更低的電磁干擾和寄生電感，由于開(kāi)關(guān)大電流和高壓會(huì )產(chǎn)生極強的電磁場(chǎng)，包括傳導或傳遞噪音/電磁干擾、過(guò)壓尖峰和對汽車(chē)感應電子裝置造成影響的其他干擾等。

　　下文詳細探討圖1所示的可解決上述問(wèn)題的5個(gè)主要平臺元素：

　　圖1：滿(mǎn)足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的功率管理需求的五大‘必備要素’。

　　1. 高效的高壓IGBT：在電壓範圍為600V至1，200V條件下，要想高效地開(kāi)關(guān)幾百安培的大電流，需要採用這種類(lèi)型的功率開(kāi)關(guān)。相對于MOSFET而言，溝槽型IGBT在這些高壓條件下能效更高。這些元件在極高的電流密度條件下，具備極低的導通電阻。如果採用標準接腳鍵合封裝，其性能將會(huì )大幅受到這種傳統裝配技術(shù)的限制。因此IR公司專(zhuān)利的可焊正面金屬製程，使IGBT能夠被焊接在兩側，因而徹底避免在換流器或轉換器模組中使用接腳鍵合。該解決方案可解決上文所述的兩個(gè)以上的問(wèn)題：由于避免了‘鍵合接腳脫落’這種典型的故障模式，無(wú)接腳鍵合裝配的可靠性和穩健性大幅提高。潛在的故障機制是焊劑磨損殆盡，但這需要很長(cháng)的時(shí)間和很高的應力。採用這種技術(shù)的模組廠(chǎng)商可使用更小的元件──相對于接腳鍵合裝配解決方案，可在更高溫度條件下執行，并能夠承受更寬的溫度變化。圖2顯示的是高級無(wú)接腳鍵合裝配的應力測試典型結果。

　　圖2：採用基于專(zhuān)利陶瓷的定製封裝的接腳鍵合IGBT，與無(wú)接腳鍵合雙面焊接IGBT的功率循環(huán)的比較。左圖和右圖顯示不同的溫度應力剖面，每個(gè)豎條代表一種被測元件。

　　除提高穩健性外，採用前面可焊金屬的元件還能改善其他問(wèn)題，包括寄生電感、產(chǎn)生噪音的振鈴以及大電流開(kāi)關(guān)帶來(lái)的電磁干擾等。透過(guò)實(shí)現雙面焊接連接，感應率被降至最低或者完全消失。事實(shí)證明，IR公司的無(wú)接腳鍵合元件相對于任何標準的接腳鍵合或塑料封裝元件，具備更出色的開(kāi)關(guān)性能。例如，圖3為IR公司的專(zhuān)利DirectFET封裝與接腳鍵合塑料封裝元件的快速開(kāi)關(guān)性能比較。

　　圖3：IR公司的專(zhuān)有無(wú)接腳鍵合DirectFET封裝，可降低寄生電感和振鈴，明確具備更出色的電磁干擾性能。

　　2. 先進(jìn)的封裝是高效電源管理平臺的另一個(gè)重要的因素。如上文所述，IR公司針對汽車(chē)產(chǎn)業(yè)推出了十分先進(jìn)的封裝技術(shù)。將結實(shí)耐用的前面金屬層置于我們的硅開(kāi)關(guān)（MOSFET、IGBT）上，使我們能夠將無(wú)接腳鍵合的晶片級功率封裝應用于所有功率開(kāi)關(guān)。直接封裝（Direct-Packages）具備出色的開(kāi)關(guān)性能、基本為零的寄生電感、更強的機械可靠性和強韌性──塬因是避免了接腳鍵合，還能實(shí)現晶片雙面散熱。如果一面有接腳鍵合是無(wú)法實(shí)現雙面散熱的。這些封裝解決了上文所述的主要問(wèn)題，使客戶(hù)能夠設計出創(chuàng )新的控制裝置和電源模組。

　　3. 快速開(kāi)關(guān)元件也是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)應用一個(gè)十分重要的需求。儘管馬達驅動(dòng)變頻器的典型開(kāi)關(guān)頻率為6kHz至10kHz，但DC-DC轉換器或其他電池充電裝置通常具備更高的頻率範圍（100kHz至200kHz），以提高降壓/升壓轉換器效率，并縮小這些系統中的被動(dòng)組件（電感器/電容器）的尺寸。不幸的是，基于其雙極元件實(shí)體特徵，IGBT可在10KHz開(kāi)關(guān)頻率下達到最理想的性能，但在100kHz以上的高頻條件下，需採用特殊的MOSFET、CoolMOS或超結（Super Junction）元件。不過(guò)，這些元件都有缺點(diǎn)，例如極高的成本和有限的穩健性等。IR公司的汽車(chē)產(chǎn)品組合，提供了以更低的成本和出色的開(kāi)關(guān)性能解決這些問(wèn)題的替代解決方案。IR公司的汽車(chē)用DirectFET，設立了電壓高達250V的快速開(kāi)關(guān)性能的標桿。更高電壓的快速開(kāi)關(guān)產(chǎn)品，需要採用IR公司的專(zhuān)有WARP speed IGBT。相較典型的高壓超結元件而言，WARP speed IGBT可以更出色的性?xún)r(jià)比實(shí)現更高的開(kāi)關(guān)頻率。新一代汽車(chē)WARP speed IGBT可滿(mǎn)足100kHz以上的開(kāi)關(guān)頻率要求，因此是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)的大功率DC-DC轉換器的理想解決方案。

　　4. 具備高抗雪崩能力的MOSFET，是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)半導體平臺的另一個(gè)重要元件。硬開(kāi)關(guān)產(chǎn)品常常需要MOSFET透過(guò)進(jìn)入雪崩模式實(shí)現重復開(kāi)關(guān)。在雪崩模式下，電壓基本上會(huì )超過(guò)擊穿電壓，高度加速的載流子在擊穿電壓水平下，會(huì )涌入MOSFET的PN結區。這些高度加速的‘熱載流子’通常會(huì )逐漸損壞閘極氧化層。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間或重復多次出現雪崩事件后，MOSFET會(huì )出現不可逆轉的損傷。閾值電壓漂移，漏電流逐漸增大，或者有時(shí)閘極氧化層斷裂。IR公司的專(zhuān)利MOSFET尤其穩健耐用，可實(shí)現可靠的重復雪崩開(kāi)關(guān)。事實(shí)證明，這些元件應用于馬達驅動(dòng)等電感負載的硬開(kāi)關(guān)產(chǎn)品時(shí)，穩健性。結合無(wú)接腳鍵合Direct封裝，這些元件可設立開(kāi)關(guān)性能標桿，同時(shí)確保出眾的硅晶片穩健性。

　　5.驅動(dòng)功率元件的穩健耐用、功能強大的控制IC。為幫助系統設計人員利用所需的控制IC完成整個(gè)功率級開(kāi)發(fā)任務(wù)，IR公司推出了陣容強大的汽車(chē)用驅動(dòng)IC產(chǎn)品組合。該產(chǎn)品組