智能功率IGBT和MOSFET讓汽車更加舒適環(huán)保
英飛凌汽車電子生態(tài)圈
針對中國汽車發(fā)動機市場發(fā)展的變化，飛兆半導(dǎo)體公司亞太區(qū)總裁兼董事總經(jīng)理郭裕亮先生表示，在過去幾年間，這種(汽油機缸內(nèi)直噴)應(yīng)用的IGBT數(shù)量已增加了4至5倍，因為市場的趨勢是從一個或兩個IGBT作為幾個汽缸的若干線圈點火，轉(zhuǎn)變?yōu)槊總€汽缸都有一個IGBT和線圈，稱為線圈式火花塞 (coil on plug)或線圈上開關(guān)(switch on coil)。他強調(diào)說：“隨著IGBT被移往線圈組件及火花塞中，一些控制和診斷功能也必須相應(yīng)地轉(zhuǎn)移。因此，對于能夠控制和監(jiān)控點火火花并將信息傳遞給引擎控制模組的智能IGBT的需求已應(yīng)運而生。”
智能化和低損耗IGBT提高燃油效率
高度集成的IGBT點火模塊給汽車電子半導(dǎo)體廠家?guī)淼氖滓魬?zhàn)是熱管理。飛兆半導(dǎo)體是點火IGBT排名第一的供應(yīng)商，市場占有率超過30%，郭裕亮說：“伴隨著汽車復(fù)雜性增加而出現(xiàn)的潛在應(yīng)用或產(chǎn)品故障，IGBT需要具有更強的容錯性或自我保護功能。而隨著新興應(yīng)用對硅片容量和功率的需求不斷提高，所有功率器件都會產(chǎn)生熱量，為了減少熱量的產(chǎn)生，要采用具有較低傳導(dǎo)損耗或開關(guān)損耗的器件。”
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IGBT和MOSFET市場增長預(yù)測 本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/259045.htm |
除了熱管理之外，英飛凌科技(中國)有限公司汽車、工業(yè)及多元化電子市場部高級市場經(jīng)理李立揚說：“汽車引擎在燃燒的過程中會發(fā)生震動，這些高頻震動的頻率很高，乘客通常無法察覺，但是，任何機械或電氣連接都能夠感知到。因此，首先要改善功率半導(dǎo)體器件的連接工藝，特別是IGBT功率模塊。”他強調(diào)，對汽車點火IGBT的可靠性和品質(zhì)要求很高，通常要達到長于汽車本身的壽命。
郭裕亮指出，隨著傳統(tǒng)的分立產(chǎn)品正被集成式模塊或多芯片器件所取代，以滿足減少熱量和占位面積的需求，為這些集成器件提供較高密度的封裝以實現(xiàn)更小的功耗是IGBT器件或模塊設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)。為此，飛兆半導(dǎo)體提供名為EcoSPARK的第四代點火IGBT。“較之其它點火IGBT，該產(chǎn)品能夠在更小的面積中處理更多能量。芯片面積的減少、再結(jié)合電流感測IGBT，能夠在很小的TO263占位面積中提供更多的控制、更高的性能及更好的保護。”郭裕亮說道。
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| 郭裕亮：過去幾年汽油機缸內(nèi)直噴應(yīng)用的IGBT數(shù)量增加了4至5倍 |
此外，飛兆半導(dǎo)體IGBT的其它應(yīng)用還包括燃燒引擎或柴油引擎控制，以及混合電動汽車的高電壓和大電流的交流電機驅(qū)動系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計?；旌想妱悠嚮驓潋?qū)動汽車依靠一個電機作為車輛的主要驅(qū)動力，因而需要相當大的功率和極低傳導(dǎo)損耗的IGBT。“飛兆半導(dǎo)體為HEV提供了IGBT、二極管和MOSFET，并正在開發(fā)新一代穿透型槽式IGBT，能實現(xiàn)更低的功率損耗(產(chǎn)熱更少)來滿足這種新興電動汽車的應(yīng)用需求，”郭裕亮強調(diào)說：“新一代IGBT將為汽車設(shè)計人員帶來更低的傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。”
在減小IGBT損耗領(lǐng)域，英飛凌公司先后推出了FS-IGBT和TS-IGBT(溝槽柵場終止)技術(shù)。最新的TS-IGBT技術(shù)覆蓋了600V到1200V系列IGBT，在該技術(shù)中溝槽柵與場終止層(field stop)概念結(jié)合起來，減少了載子聚集在溝槽柵附近引起的導(dǎo)通損耗。場終止層由附加的n型摻雜層植入晶圓的背面制作而成。將這種場終止層與襯底晶圓的經(jīng)增強的電阻率結(jié)合在一起，就可以把相同耐壓的IGBT芯片厚度減少大約1/3。李立揚說：“最終使導(dǎo)通損耗減少30%，關(guān)斷損耗降低25%。采用該技術(shù)的600V IGBT3可以在最大結(jié)溫為175度時提供200A的電流。”
根據(jù)來自另外一家IGBT器件制造商ST的報道，他們的VIPower“智能IGBT”電子點火模塊整合了IGBT的優(yōu)異性能和嵌入式診斷及保護功能，已被多個采用ECU點火方法或在火花塞上集成高壓線圈的汽車制造商所采用。
隨著智能型IGBT集成度的提高，安森美半導(dǎo)體首席應(yīng)用工程師Klaus Reindl說：“在IGBT芯片中集成額外電路的條件是與已有元件兼容，并且不改變其優(yōu)化的IGBT結(jié)構(gòu)。目前，已集成的功能有溫度感測和電流檢測。這兩種檢測功能的缺陷是需要更多的連接，且不能使用高容量、高性價比的3端電源封裝。”
Reindl認為，最佳的解決方案是采用一個優(yōu)化的、非智能IGBT和一個線性雙極性或LinCMOS智能預(yù)驅(qū)動器，作為MCU和IGBT之間的接口來提供駐留保護和控制特性。例如，Zetex半導(dǎo)體公司用SOT236封裝的NPN和PNP復(fù)合晶體管制成的ZXTC2045E6，就能提供電源中高功率MOSFET和IGBT所需的驅(qū)動能力。
目前，采用專用點火IGBT實現(xiàn)的全引擎管理系統(tǒng)具有更加緊湊、精確和控制可靠的特點。但是，飛兆半導(dǎo)體公司汽車應(yīng)用和市場發(fā)展高級經(jīng)理Jim Gillberg提醒說，點火系統(tǒng)從單一雙極達林頓晶體管演化成每個汽缸使用一個點火IGBT后，器件成本問題就開始凸顯出來。“改進IGBT的成本/性能比的方向是在相同電氣性能的前提下，減少硅片的面積和封裝體積，與此同時，增加系統(tǒng)的功能并改善性能。”他表示說，“我們的點火IGBT通過一種稱為“PQFN”的封裝技術(shù)，將控制芯片和IGBT封裝在一起，控制芯片在物理上與IGBT隔離，從而避免這兩個器件相互影響，這種新的多芯片封裝技術(shù)提供更具成本效益的組件，能應(yīng)付惡劣的汽車應(yīng)用環(huán)境且可靠性高。”
吉利發(fā)動機的林輝部長說：“汽油機缸內(nèi)直噴控制系統(tǒng)正是采用了先進的IGBT模塊，才極大地提高了燃油效率。”目前，博世的多點順序汽油噴射智能點火控制模塊已經(jīng)廣泛用于中國生產(chǎn)的汽車之中。隨著汽油發(fā)動機由傳統(tǒng)的電控多點燃油噴射向多點順序噴射的轉(zhuǎn)移，用于汽車點火控制的IGBT器件市場有望高速增長。isuppli預(yù)測汽車IGBT市場有望以17.2%的年復(fù)合增長率高速發(fā)展(圖1)，位居汽車電源管理器件之首，MOSFET市場增長據(jù)其次。
中國正在加大混合動力(包括油電混合與氣電混合動力)車的開發(fā)和市場推廣應(yīng)用，據(jù)同濟大學(xué)汽車學(xué)院院長余卓平教授介紹，車用驅(qū)動電機和電子控制技術(shù)是節(jié)能環(huán)保汽車的關(guān)鍵技術(shù)。郭裕亮表示，混合電動汽車需要高電壓和大電流功率器件，這正是IGBT的主要應(yīng)用。因此，也有望刺激IGBT市場持續(xù)穩(wěn)定地增長。
導(dǎo)通電阻逼近極限，感測型MOSFET器件登場
功率MOSFET器件在汽車領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，主要系統(tǒng)包括：啟動機和發(fā)電機、車燈控制、音響系統(tǒng)、車身控制、引擎管理、防盜、車廂環(huán)境控制、動力傳輸系統(tǒng)等。飛利浦半導(dǎo)體公司電源產(chǎn)品部的Stefan Seider博士說：“功率MOSFET器件通常在極其惡劣的環(huán)境條件下工作，當環(huán)境溫度超過120度的時候，結(jié)溫會大幅上升，從而可能引發(fā)可靠性及其它問題，這是設(shè)計汽車電源系統(tǒng)中必須面對的挑戰(zhàn)。”
飛利浦半導(dǎo)體公司電源產(chǎn)品部的Ron Fuller博士表示，為了避免這種情況的發(fā)生，應(yīng)該選用符合AEC Q101標準的MOSFET器件，他說：“目前一些汽車中IC的數(shù)量已經(jīng)超過100顆，MOSFET就是為了滿足這些日益增多的IC對電源的需求，因此，如何提高能量利用效率是MOSFET應(yīng)用中面臨的另外一個挑戰(zhàn)。”隨著汽車電子子系統(tǒng)(如電動助力轉(zhuǎn)向和ABS)能耗的增加，“半導(dǎo)體公司不得不開發(fā)MOSFET導(dǎo)通電阻盡可能小的技術(shù)，以使MOSFET本身的能耗盡可能降低。”他指出道。
采用一種稱為Trench(溝槽)的半導(dǎo)體制造工藝，飛利浦的Ian Kennedy博士介紹介紹說，“能將導(dǎo)通電阻值降低20%到40%。”目前，除了飛利浦的HPA TrenchMOS系列，制造Trench MOSFET的半導(dǎo)體公司包括還安森美半導(dǎo)體、飛兆半導(dǎo)體和富士電機等公司。國際整流器公司則以Stripe-Trench(條形溝槽)技術(shù)設(shè)計了全系列MOSFET器件。Vishay利用雙高壓TMBS Trench MOS肖特基勢壘整流器，實現(xiàn)了4毫歐導(dǎo)通電阻的功率MOSFET。意法半導(dǎo)體公司的STripFET III Technology可以增加MOSFET的單元密度并縮小尺寸。追逐導(dǎo)通電阻的競爭中，目前IR公司的MOSFET原胞密度號稱已達每平方英寸1.12億個的世界最高水平，通態(tài)電阻R可達3mΩ。相比而言，飛兆半導(dǎo)體郭裕亮說：“適用于汽車應(yīng)用的MOSFET當中，F(xiàn)DD8870的導(dǎo)通阻抗為3.9毫歐，40V MOSFET裸片的導(dǎo)通阻抗已經(jīng)低至1.1毫歐，而封裝器件已經(jīng)做到2.3毫歐，這些低導(dǎo)通阻抗MOSFET可用于極高能量系統(tǒng)中，如電子轉(zhuǎn)向或集成啟動器交流發(fā)動機等。”
基于溝槽(Trench)技術(shù)的創(chuàng)新可謂名目繁多，瑞薩香港有限公司的Dennis Chan表示，在低壓大電流MOSFET領(lǐng)域，各制造商的設(shè)計差異不大，主要發(fā)展方向是持續(xù)開發(fā)新的制造和封裝工藝以進一步降低導(dǎo)通電阻，因此器件選擇上靈活性很大。Kennedy博士分析說：“近年來沿著降低導(dǎo)通電阻的方向，業(yè)內(nèi)已經(jīng)將它降低到了很低的水平，盡管仍然要沿著高密度溝槽技術(shù)創(chuàng)新低漏-源電壓器件這個重要方向發(fā)展，在汽車電子系統(tǒng)中MOSFET要朝著加入新的功能方向發(fā)展。”
郭裕亮介紹說，在汽車應(yīng)用中，系統(tǒng)復(fù)雜性增加而引起的另一個發(fā)展方向需要向電子控制提供更多的系統(tǒng)診斷信息，系統(tǒng)要監(jiān)控MOSFET的溫度及流經(jīng)的電流大小。為了提高可靠性并節(jié)省空間，飛兆的Sense FET MOSFET可以與控制IC結(jié)合，并裝配在單一封裝中?？刂艻C能夠監(jiān)控應(yīng)用和MOSFET的情況，以此決定何時需要采取正確行動來控制應(yīng)用并保護功率器件。“我們正在開發(fā)Sense FET和智能/保護器件系列，旨在協(xié)助設(shè)計人員完成更復(fù)雜和可靠的汽車電子控制系統(tǒng)設(shè)計，”他補充說。
Kennedy博士表示，飛利浦采用TrenchPlus技術(shù)的器件通過集成溫度傳感器二極管、電流傳感器以及箝位二極管，已經(jīng)具備“溫度和電流感應(yīng)、ESD保護”的功能。此外，他強調(diào)說，瞥開封裝技術(shù)去談?wù)揗OSFET是不完整的，他說：“更小和更具有熱效率的封裝是未來的發(fā)展趨勢。”
英飛凌除了提供汽車電子控制應(yīng)用的各種MOSFET，在混合動力汽車專用高壓MOSFET(擊穿電壓大于500V，小于900V)的發(fā)展方向上，目前占據(jù)領(lǐng)先地位。英飛凌科技的李立揚說：“我們的超級結(jié)技術(shù)(CoolMOS)將600V MOSFET器件的導(dǎo)通電阻和內(nèi)部電容降低了5倍。”此外，為了提高EMC性能并滿足高功率密度DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計的需要，“英飛凌首創(chuàng)CoolMOS與SiC肖特基二極管結(jié)合，獲得了高壓MOSFET的低開關(guān)損耗，提高了驅(qū)動功率和負載性能，在汽車高壓功率MOSFET技術(shù)領(lǐng)域樹立了一個標桿。”他說。
李立揚強調(diào)，功率器件在汽車應(yīng)用中面臨嚴酷的振動環(huán)境，除了上述先進的設(shè)計技術(shù)，在封裝和器件的安裝上，也應(yīng)該格外注意。“優(yōu)化的生產(chǎn)工藝有助于讓功率器件獲得比汽車本身更長的生命期，”他強調(diào)說，“芯片制造領(lǐng)域代工生產(chǎn)非常普遍，英飛凌在自己擁有的制造廠生產(chǎn)汽車功率器件，因而能確保用戶整個供應(yīng)鏈的連續(xù)運轉(zhuǎn)。”與此類似，飛兆半導(dǎo)體在蘇州建有核心功率器件生產(chǎn)工廠，另外還設(shè)有多個設(shè)計和應(yīng)用中心滿足不斷增長的汽車功率電子市場的需求，可謂英雄所見略同。
本文小結(jié)
目前，根據(jù)郭裕亮的觀點，“中國汽車市場半導(dǎo)體部分的增長率是世界其它地區(qū)的兩倍，其年復(fù)合增長率超過20%，引擎和車身控制的功率應(yīng)用發(fā)展最快”，而英飛凌的專家則表示“安全和動力應(yīng)用是汽車功率器件增長最快的領(lǐng)域”。受到這些市場需求的驅(qū)動，設(shè)計人員正尋求在傳統(tǒng)高壓(55v到60v)應(yīng)用中使用低壓MOSFET產(chǎn)品的方法，而對于低傳導(dǎo)損耗和熱耗的需求將進一步促進IGBT和MOSFET技術(shù)的發(fā)展。
作者：周智勇，特約撰稿人
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