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汽车电子功率MOSFET

发布时间:2008-11-05 来源:飞兆半导体公司

中心论题:

  • 关断电压等级、系统功率要求、系统智能性和产品系统成本等四大要素推动着汽车电子功率器件的演进
  • 详细介绍当前汽车电子系统功率MOSFET的发展状况
  • 汽车电子MOSFET发展的一个最终方向是提高感测、控制和保护功率开关的能力

解决方案:

  • 采用沟道型MOSFET以获得更高的单元密度和更低的导通阻抗
  • 进一步降低导通阻抗,获得更高功率密度的方法之一是使用混合模块
  • 集成功率器件到智能化车载系统中去
  • 还要充分考虑到产品和系统的成本以及可靠性的重要程度

过去15到20年间,汽车用功率MOSFET已从最初的技术话题发展成为蓬勃的商业领域。选用功率MOSFET是因为其能够耐受汽车电子系统中常遇到的掉载和系统能量突变等引起的瞬态高压现象。且封装很简单,主要采用TO220 和 TO247封装。电动车窗、燃油喷射、间歇式雨刷和巡航控制等应用已逐渐成为大多数汽车的标配,在设计中需要类似的功率器件。在这期间,随着电机、螺线管和燃油喷射器日益普及,车用功率MOSFET也不断发展壮大。

今天的汽车电子系统已开创了功率器件的新时代。本文将介绍和讨论几种推动汽车电子功率器件变革的新型应用。还将探讨实现当前汽车电子系统功率MOSFET的一些发展状况。这些发展将有助于促进汽车电子行业向前,特别是在一些新兴市场如中国。

市场动态
新型应用中有4大要素在推动汽车电子功率器件的演进:

  •  足够的关断电压等级 (Bvdss)
  •  系统功率要求
  •  系统智能性/生存能力 (survivability)
  •  产品和系统成本

一直以来,汽车电子应用都采用Bvdss约60V的功率器件。然而,新的系统同时使用更高和更低的电压等级,以更具成本效益的方式提供前所未有的系统性能。

高压电/磁电喷射系统和高强度照明是两种广为流行的应用,都需要击穿电压高达150V 到 300V的功率MOSFET。势能更高的压电和磁电燃油喷射系统能够提供更准确的燃油喷射和更精细的空气/燃油混合比例,使到燃烧更充分,有害排放得以降低,并最终提高性能。

相比普通白炽灯,高强度照明技术消耗更少的能量却能够产生更大的照明强度。这样不仅可以提高驾驶人员在夜晚或恶劣天气条件下的能见度,同时也便于其它驾驶人员看到自己的车辆。

除了电压更高的汽车电子功率应用之外,车辆内部消费应用产品快速的涌现也对电压范围提出更高要求。CD/DVD播放器、卫星无线电、手机、GPS导航、MP3播放器接口就是需要功率MOSFET器件的新型应用之例子。这些应用所需的实际功率一般低于采用更小的分立或集成式元件的功率范围。功率器件具有它们所服务的消费产品的相同特征。在上述应用中,尺寸非常重要,故往往采用PCB封装占位面积更小,或表面安装的新型功率器件。Power 56 和 Super SOT SSOT 6等封装普遍用于这些应用,在很小的封装中提供相当高的功率处理能力。

图1. 各种汽车应用及其相关电压和功率范围的几个实例


图2. 目前用于汽车电子的众多标准分立式封装的几个实例

许多历来是机械或液压式的车载系统正在向电动或电动/液压混合系统转型。首当其冲的是散热器风扇。采用电动电机后,可以去掉风扇皮带,风扇可利用现有引擎或根据冷却剂温度来进行更精确的控制。其它类似应用还有电动助力转向 (EPS)、集成式启动器交流发电机 (ISA) 和主动式悬挂系统。电动助力转向和主动式悬挂系统为车载系统设计人员提供了相当大的灵活性,让他们可以在多个车辆平台上使用硬件系统,并通过软件修改来改变车辆从轻便到豪华型的感觉。

这些电动/机械系统的特征之一是使用的功率等级极高,因此需要大电流功率开关。为了能够以尽量小的损耗提供最高的电流转换,这些应用一般采用额定电压30V 到 40V的高性能沟道型MOSFET (Trench MOSFET)。

功率MOSFET解决方案
沟道型MOSFET的采用已成为当前大部分车载应用的标准。传统的平面型MOSFET建立在硅晶圆表面之上,而沟道型MOSFET是在硅片上蚀刻垂直沟道,从而让功率开关得以拥有更高的单元密度和更低的导通阻抗。由于这些电子机械系统大多数都采用了MOSFET H桥式电机驱动结构,两个器件总是串联以便使用更低电压的MOSFET,同时仍然可以耐受常见的汽车高电压冲击现象。相比60V MOSFET,这些击穿电压更低的器件能够把开关的导通阻抗降低50%,这意味着系统功耗减少50%,亦即系统发热减少,最终把散热要求降至最低。

图3. 沟道型与平面型 MOSFET之比较


图4. H桥式电机配置

随着车载系统设计人员在低电压功率MOSFET方面累积更多的工作经验,并开始认识到其性能和成本优势,低电压功率MOSFET的应用范围正在向刹车和显示屏控制等其它低功率系统扩展。

现在的功率沟道型MOSFET的导通阻抗 (RDS(ON)) 低至1或2毫欧。这虽然大大降低了系统功耗,但给车载系统设计人员带来了其它复杂性,包括板上布线、系统连接以及封装中引线在内的寄生阻抗给系统带来的额外阻抗很可能超过了实际的MOSFET (自身导通阻抗)。要进一步降低导通阻抗,获得更高功率密度的方法之一是使用混合模块。当前许多应用都已开始放弃传统的功率封装解决方案,改为在IMS (绝缘金属基板) 或 DBC (直接键合铜) 等材料制作的绝缘基板上安装裸片。即使在使用相同功率硅芯片的情况下,相比分立式功率封装,这些模块提供的能量和电流能力都更高。模块能够提供更高密度的裸片键合或更大的裸片引线键合,可减小互连阻抗,同时又把功率元件之间的距离减至最小。这种更高能量密度的代价是元件成本较分立式封装方案高。不过,对于高能量系统,系统尺寸和性能方面的改进足以弥补器件成本增加的缺憾。

图5. 汽车混合式模块的示例

汽车电子MOSFET发展的一个最终方向是提高感测、控制和保护功率开关的能力。功率器件正在集成到智能化车载系统中。在最低功率级别,MOSFET现在可以与功率器件上的感测元件一起使用。这些感测元件能够测量电流或温度,并能够连接到电子设备上以监控系统性能,并在出现过流或过热情况时保护功率器件免受损害。

30V 到 60V范围的低功率器件正在集成到包括串联接口和微控制器在内的单片式IC中。这种专用的单片IC能够控制小型电机,甚至可能通过电机和门锁控制整个门节点。对于更高能量的应用,单片式IC在成本或技术上都不可行,但可以采用创新的封装解决方案来实现集成。通过把大功率MOSFET和控制集成电路整合在单个封装中,可以构建超高功率的智能系统。


图6所示为目前车载系统中采用多芯片封装的几个实例。这些智能化器件可以提供更高的系统性能监控能力,通过集成保护功能提高功率系统的可靠性。如过流、过压和过热保护等功能都是这类产品的标配。当器件感测到有可能发生上述异常状况时,能够把功率MOSFET置于自我保护整个系统的环境中。此外,这些器件还集成有附加诊断功能,用以监控负载开路或短路,有助于指导汽车机械装置隔离和纠正车辆中出现的问题。

最后,或许也是所有应用背后最重要的推动力量,以及众多这类技术可用的原因所在:即是产品和系统成本。在汽车业务中,有不变的推动力一直在降低产品和系统的成本。其不仅推动元件成本的降低,也推动车辆拥有成本的降低。在本文中,还把可靠性也视作成本推动力。可能导致线路故障或现场故障的低成本功率器件并不是真正的低成本器件。在选择汽车所采用的元件时,系统设计人员必须把成本和可靠性作为主要的推动力量。本文讨论的产品都是专为车载应用及系统而设计的,并针对汽车终端使用而特性化及鉴定资格。汽车市场已为功率和智能功率器件建立了几个产品认证标准,比如AECQ100 和 AECQ101标准。面向汽车市场开发和供应的产品必须经设计和特性化,以满足这些严格标准的要求,确保终端系统的性能能满足设计人员,更重要的是,满足车主对产品价值的期望。

小结
过去,选择60V 还是 55V往往是最大的设计问题之一,而经过数年的发展,如今汽车内部的功率器件和设计考虑事项在广度方面已取得了长足的进步。随着电子系统针对娱乐、仪表板、动力传动控制、安全性、车厢和稳定性控制以至车身及便利性控制等不断发展,一般汽车中的功率器件数目已是数以百计,并且正在急剧增加之中。选择正确的器件现已成为一项艰巨的挑战,需面对许多不同的技术选项,以达致所需的性能和成本目标。

 

 

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