汽車(chē)應用MOSFET的技術(shù)趨勢

汽車(chē)應用MOSFET

半導體制造商在金屬氧化物半導體（MOS）技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)步，并繼續積極發(fā)展。先進(jìn)的功率MOS技術(shù)通常是新型和改良型汽車(chē)系統的促成因素，然而，在開(kāi)發(fā)新的硅和封裝技術(shù)過(guò)程中，必須謹記汽車(chē)系統的特別要求。

如今，汽車(chē)設備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導通電阻范圍。電機控制設備橋接配置會(huì )使用30V和40V擊穿電壓型號；而在必須控制負載突卸和突升啟動(dòng)情況的場(chǎng)合，會(huì )使用60V裝置驅動(dòng)負載；當行業(yè)標準轉移至42V電池系統時(shí)，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則應用于發(fā)動(dòng)機驅動(dòng)器機組和高亮度放電(HID)前燈的控制電路。

驅動(dòng)電流的范圍由2A至100A以上，導通電阻的范圍為2m? 至100m?。MOSFET的負載包括電機、閥門(mén)、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開(kāi)關(guān)頻率的范圍通常為10kHz至100kHz，必須注意的是，電機控制不適用開(kāi)關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結點(diǎn)溫度極限下(-40oC至175oC，有時(shí)高達200oC) 的工作狀況，以及超越汽車(chē)使用壽命的高可靠性。

MOSFET技術(shù)的發(fā)展歷程

過(guò)去，新MOSFET技術(shù)的驅動(dòng)力量是計算機DC/DC同步轉換器等應用，為了優(yōu)化其中的電源系統性能和成本，必需進(jìn)行高頻率運作。隨著(zhù)新的硅技術(shù)的開(kāi)發(fā)，更小尺寸和更低特定導通電阻器件的設計得以實(shí)現，全面滿(mǎn)足這些要求。技術(shù)的改進(jìn)使得器件的跨導更高，具有更低的門(mén)電荷和更快的開(kāi)關(guān)速度?，F今行業(yè)的狀況是特為DC/DC轉換而優(yōu)化的開(kāi)關(guān)速度和減少安全工作區域 (SOA) 技術(shù)，將不適合汽車(chē)電機應用。

平面技術(shù)具有固有的寬SOA和堅固的雪崩能量額定特性，它是串聯(lián)通道功率控制器件的適合技術(shù)。然而，降低成本的壓力引發(fā)人們開(kāi)展新的半導體設計活動(dòng)，目標是開(kāi)發(fā)可降低特定導通電阻以溝道技術(shù)為基礎的MOSFET器件。

為了控制系統EMI (電磁干擾) 和電機繞組損耗，電機驅動(dòng)器設計人員嘗試減慢MOSFET的開(kāi)關(guān)速度，這與通常在高頻DC/DC轉換器中的做法完全相反。采用溝道技術(shù)的高跨導器件因其固有特性的緣故，開(kāi)關(guān)速度難以減慢，因而不適合在需要并聯(lián)器件的場(chǎng)合使用。與裸片尺寸相同的平面技術(shù)器件相比，溝道器件的SOA也較小，故并不適用于線(xiàn)性穩壓器設備。未來(lái)的溝道技術(shù)將向兩個(gè)不同方向發(fā)展，分別滿(mǎn)足低頻/線(xiàn)性模式電機驅動(dòng)器和高頻DC/DC轉換器的要求。

與同等的N-溝道器件相比，P-溝道器件具有較高的特定導通電阻，在采用高邊組件控制負載的場(chǎng)合，P-溝道器件更易于控制。在成本敏感的低功率設備中(車(chē)窗和視鏡電機控制、電子嗽叭、內部照明裝置)，使用P溝道器雖然會(huì )增加裸片尺寸和成本，但是其簡(jiǎn)化控制電路的優(yōu)勢卻逐漸使其成為最合適的折衷方案。

MOSFET工藝

在汽車(chē)設備中，常常需要探知負載狀態(tài)，并將任何故障問(wèn)題向微處理器報告。由于功率MOSFET正通過(guò)負載控制電流，因此它處于提供診斷信息的最佳位置。除了監視負載狀況外，還需要保護MOSFET和負載在發(fā)生故障時(shí)免遭破壞。

對于具有各種診斷功能的完全自保護單片器件，便需要采用智能功率技術(shù)。為了集成所需功能，必須在通常為7-8掩模層的功率技術(shù)基礎上，增加多個(gè)掩模步驟，結果造成器件的成本過(guò)高。

另一個(gè)做法是采用功率MOS技術(shù)作為基礎，就能比較容易地集成各項功能，包括輸入靜電釋放(ESD)保護、電流感應、過(guò)流限制、溫度感應、有源箝位及串聯(lián)門(mén)電阻器。對于這些額外的功能，只需少量的掩模步驟和附加裸片面積即可實(shí)現。而這些參數的控制和評估，最好采用特別適合這類(lèi)用途的IC技術(shù)。

封裝的影響

在采用現代化溝道技術(shù)的低導通電阻器件中，封裝電阻占器件總體電阻的40%以上。所以，不僅需要優(yōu)化硅產(chǎn)品參數，還要優(yōu)化封裝參數。采用無(wú)線(xiàn)凸起連接 (wireless bumped connection) 技術(shù)，封裝rDS(on) 可以降至0.1m? 以下。另一個(gè)重要參數是MOSFET結點(diǎn)至外殼的熱阻，目前，TO263封裝的大型芯片的最小值是0.4oK/W，但仍有改進(jìn)的空間。而預計低成本封裝技術(shù)即將出現，可將此數值減少一半。

展望未來(lái)

30V MOSFET的特定導通電阻 (RDSon /每單位面積) 正以每年約20%的比率下降。隨著(zhù)硅技術(shù)和封裝技術(shù)的改進(jìn)，RDSon小于1 m?的低成本、小尺寸和高效的MOSFET器件即將出現。這些器件能降低汽車(chē)普遍使用的集成啟動(dòng)器/發(fā)動(dòng)機和電子動(dòng)力方向盤(pán)等設備的成本，最終，它們將有助于進(jìn)一步減少熱散發(fā)和提升汽車(chē)的燃料效能。(end)