推動汽車電子功率器件變革的新型應用——功率MOSFET篇

過去15到20年間，汽車用功率MOSFET已從最初的技術(shù)話題發(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電子系統(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現(xiàn)象，且其封裝簡單，主要采用TO220 和 TO247封裝。同時，電動車窗、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(shù)汽車的標配，在設計中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機、螺線管和燃油噴射器日益普及，車用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。

今天的汽車電子系統(tǒng)已開創(chuàng)了功率器件的新時代。本文將介紹和討論幾種推動汽車電子功率器件變革的新型應用。還將探討實現(xiàn)當前汽車電子系統(tǒng)功率MOSFET的一些發(fā)展狀況。這些發(fā)展將有助于促進汽車電子行業(yè)前進，特別是在如中國等一些新興市場。

市場動態(tài)

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

產(chǎn)品和系統(tǒng)成本

一直以來，汽車電子應用都采用Bvdss約60V的功率器件。而新的系統(tǒng)同時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(tǒng)性能。

高壓電/磁電噴射系統(tǒng)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(tǒng)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?cè)藛T在夜晚或惡劣天氣條件下的能見度，同時也便于其它駕駛?cè)藛T看到自己的車輛。

除了電壓更高的汽車電子功率應用外，車輛內(nèi)部消費應用產(chǎn)品快速的涌現(xiàn)也對電壓范圍提出更高要求。CD/DVD播放器、衛(wèi)星無線電、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。

許多歷來是機械或液壓式的車載系統(tǒng)正在向電動或電動/液壓混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。首當其沖的是散熱器風扇。采用電動電機后，可以去掉風扇皮帶，風扇可利用現(xiàn)有引擎或根據(jù)冷卻劑溫度來進行更精確地控制。其它類似應用還有電動助力轉(zhuǎn)向 （EPS）、集成式啟動器交流發(fā)電機 （ISA） 和主動式懸掛系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向和主動式懸掛系統(tǒng)為車載系統(tǒng)設計人員提供了相當大的靈活性，讓他們可以在多個車輛平臺上使用硬件系統(tǒng)，并通過軟件修改來改變車輛從輕便到豪華型的感覺。

這些電動/機械系統(tǒng)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關(guān)。為了能夠以盡量小的損耗提供最高的電流轉(zhuǎn)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載應用的標準應用。傳統(tǒng)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(tǒng)大多數(shù)都采用了MOSFET H橋式電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)，兩個器件總是串聯(lián)以便使用電壓更低的MOSFET，同時仍然可以耐受常見的汽車高電壓沖擊現(xiàn)象。相比60V MOSFET，這些擊穿電壓更低的器件能夠把開關(guān)的導通阻抗降低50%，這意味著系統(tǒng)功耗減少50%，亦即系統(tǒng)發(fā)熱減少，最終把散熱要求降至最低。

隨著車載系統(tǒng)設計人員在低電壓功率MOSFET方面累積更多的經(jīng)驗，并開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和顯示屏控制等其它低功率系統(tǒng)擴展。

現(xiàn)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(tǒng)功耗，但給車載系統(tǒng)設計人員帶來了其它復雜性，包括板上布線、系統(tǒng)連接等。同時，封裝中引線在內(nèi)的寄生阻抗給系統(tǒng)帶來的額外阻抗很可能超過了實際MOSFET的自身導通阻抗。要進一步降低導通阻抗，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始放棄傳統(tǒng)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鍵合，可減小互連阻抗，同時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是元件成本較分立式封裝方案高。不過，對于高能量系統(tǒng)，系統(tǒng)尺寸和性能方面的改進足以彌補器件成本增加的缺憾。

汽車電子MOSFET發(fā)展的一個最終方向是提高感測、控制和保護功率開關(guān)的性能。功率器件正集成到智能化車載系統(tǒng)中?，F(xiàn)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(jiān)控系統(tǒng)性能，并在出現(xiàn)過流或過熱情況時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(nèi)的單片式IC中。這種專用的單片IC能夠控制小型電機，甚至可以通過電機和門鎖控制整個門節(jié)點。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實現(xiàn)集成。通過把大功率MOSFET和控制集成電路整合在單個封裝中，可以構(gòu)建超高功率的智能系統(tǒng)。

圖6所示為目前車載系統(tǒng)中采用多芯片封裝的幾個實例。這些智能化器件可以提供更高的系統(tǒng)性能監(jiān)控能力，通過集成保護功能提高功率系統(tǒng)的可靠性。如過流、過壓和過熱保護等功能都是這類產(chǎn)品的標配。當器件感測到有可能發(fā)生上述異常狀況時，能夠把功率MOSFET置于整個系統(tǒng)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(jiān)控負載開路或短路，有助于指導汽車機械裝置隔離和糾正車輛中出現(xiàn)的問題。

最后，或許也是所有應用背后最重要的推動力量及眾多此類技術(shù)可用的原因所在即產(chǎn)品和系統(tǒng)成本。在汽車業(yè)務中，有不變的推動力一直在降低產(chǎn)品和系統(tǒng)的成本。其不僅推動元件成本的降低，也推動車輛擁有成本的降低?？煽啃砸彩浅杀镜耐苿恿χ?，可能導致線路故障或現(xiàn)場故障的低成本功率器件并不是真正的低成本器件。在選擇汽車所采用的元件時，系統(tǒng)設計人員必須把成本和可靠性作為主要的推動力量。汽車市場已為功率和智能功率器件建立了幾個產(chǎn)品認證標準，如AECQ100 和 AECQ101標準。面向汽車市場開發(fā)和供應的產(chǎn)品必須經(jīng)設計和特性化，以滿足這些嚴格標準的要求，確保終端系統(tǒng)的性能能夠滿足設計人員，更重要的是滿足車主對產(chǎn)品價值的期望。

過去，選擇60V 還是 55V往往是最大的設計問題之一，而經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，如今汽車內(nèi)部的功率器件和設計考慮在廣度方面已取得了長足的進步。隨著電子系統(tǒng)針對娛樂、儀表板、動力傳動控制、安全性、車廂和穩(wěn)定性控制以至車身及便利性控制等不斷發(fā)展，一般汽車中的功率器件數(shù)目已是數(shù)以百計，并且正在急劇增加中。選擇正確的器件現(xiàn)已成為一項艱巨的挑戰(zhàn)，需面對許多不同的技術(shù)選項，從而實現(xiàn)所需的性能和成本目標。

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