汽車(chē)電子功率MOSFET

功率MOSFET解決方案

　　·MOSFET的采用已成為當前大部分車(chē)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(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)以便使用更低電壓的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方面累積更多的工作經(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2毫歐。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)、系統連接以及封裝中引線(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)際的MOSFET (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(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)的能力。功率器件正在集成到智能化車(chē)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(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，甚至可能通過(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置于自我保護整個(gè)系統的環(huán)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(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，以及眾多這類(lèi)技術(shù)可用的原因所在：即是產(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。在本文中，還把可靠性也視作成本推動(dòng)力?？赡軐е戮€(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。本文討論的產(chǎn)品都是專(zhuān)為車(chē)載應用及系統而設計的，并針對汽車(chē)終端使用而特性化及鑒定資格。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，比如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。

結語(yǔ)

　　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事項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(shù)選項，以達致所需的性能和成本目標。