中心論題：
- 關(guān)斷電壓等級(jí)、系統(tǒng)功率要求、系統(tǒng)智能性和產(chǎn)品系統(tǒng)成本等四大要素推動(dòng)著汽車電子功率器件的演進(jìn)
- 詳細(xì)介紹當(dāng)前汽車電子系統(tǒng)功率MOSFET的發(fā)展?fàn)顩r
- 汽車電子MOSFET發(fā)展的一個(gè)最終方向是提高感測(cè)、控制和保護(hù)功率開關(guān)的能力
解決方案：
- 采用溝道型MOSFET以獲得更高的單元密度和更低的導(dǎo)通阻抗
- 進(jìn)一步降低導(dǎo)通阻抗，獲得更高功率密度的方法之一是使用混合模塊
- 集成功率器件到智能化車載系統(tǒng)中去
- 還要充分考慮到產(chǎn)品和系統(tǒng)的成本以及可靠性的重要程度
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)展成為蓬勃的商業(yè)領(lǐng)域。選用功率MOSFET是因?yàn)槠淠軌蚰褪芷囯娮酉到y(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。且封裝很簡(jiǎn)單，主要采用TO220 和 TO247封裝。電動(dòng)車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標(biāo)配，在設(shè)計(jì)中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機(jī)、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(shí)代。本文將介紹和討論幾種推動(dòng)汽車電子功率器件變革的新型應(yīng)用。還將探討實(shí)現(xiàn)當(dāng)前汽車電子系統(tǒng)功率MOSFET的一些發(fā)展?fàn)顩r。這些發(fā)展將有助于促進(jìn)汽車電子行業(yè)向前，特別是在一些新興市場(chǎng)如中國(guó)。
市場(chǎng)動(dòng)態(tài)
新型應(yīng)用中有4大要素在推動(dòng)汽車電子功率器件的演進(jìn)：
- ? 足夠的關(guān)斷電壓等級(jí) (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(yīng)用都采用Bvdss約60V的功率器件。然而，新的系統(tǒng)同時(shí)使用更高和更低的電壓等級(jí)，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(qiáng)度照明是兩種廣為流行的應(yīng)用，都需要擊穿電壓高達(dá)150V 到 300V的功率MOSFET。勢(shì)能更高的壓電和磁電燃油噴射系統(tǒng)能夠提供更準(zhǔn)確的燃油噴射和更精細(xì)的空氣/燃油混合比例，使到燃燒更充分，有害排放得以降低，并最終提高性能。
相比普通白熾燈，高強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(yīng)用之外，車輛內(nèi)部消費(fèi)應(yīng)用產(chǎn)品快速的涌現(xiàn)也對(duì)電壓范圍提出更高要求。CD/DVD播放器、衛(wèi)星無線電、手機(jī)、GPS導(dǎo)航、MP3播放器接口就是需要功率MOSFET器件的新型應(yīng)用之例子。這些應(yīng)用所需的實(shí)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(wù)的消費(fèi)產(chǎn)品的相同特征。在上述應(yīng)用中，尺寸非常重要，故往往采用PCB封裝占位面積更小，或表面安裝的新型功率器件。Power 56 和 Super SOT SSOT 6等封裝普遍用于這些應(yīng)用，在很小的封裝中提供相當(dāng)高的功率處理能力。
圖1. 各種汽車應(yīng)用及其相關(guān)電壓和功率范圍的幾個(gè)實(shí)例
圖2. 目前用于汽車電子的眾多標(biāo)準(zhǔn)分立式封裝的幾個(gè)實(shí)例
許多歷來是機(jī)械或液壓式的車載系統(tǒng)正在向電動(dòng)或電動(dòng)/液壓混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。首當(dāng)其沖的是散熱器風(fēng)扇。采用電動(dòng)電機(jī)后，可以去掉風(fēng)扇皮帶，風(fēng)扇可利用現(xiàn)有引擎或根據(jù)冷卻劑溫度來進(jìn)行更精確的控制。其它類似應(yīng)用還有電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向 (EPS)、集成式啟動(dòng)器交流發(fā)電機(jī) (ISA) 和主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)為車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了相當(dāng)大的靈活性，讓他們可以在多個(gè)車輛平臺(tái)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(dòng)/機(jī)械系統(tǒng)的特征之一是使用的功率等級(jí)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(yīng)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的采用已成為當(dāng)前大部分車載應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。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(dǎo)通阻抗。由于這些電子機(jī)械系統(tǒng)大多數(shù)都采用了MOSFET H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，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(dǎo)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。
圖3. 溝道型與平面型 MOSFET之比較
圖4. H橋式電機(jī)配置
隨著車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在低電壓功率MOSFET方面累積更多的工作經(jīng)驗(yàn)，并開始認(rèn)識(shí)到其性能和成本優(yōu)勢(shì)，低電壓功率MOSFET的應(yīng)用范圍正在向剎車和顯示屏控制等其它低功率系統(tǒng)擴(kuò)展。
現(xiàn)在的功率溝道型MOSFET的導(dǎo)通阻抗 (RDS(ON)) 低至1或2毫歐。這雖然大大降低了系統(tǒng)功耗，但給車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了其它復(fù)雜性，包括板上布線、系統(tǒng)連接以及封裝中引線在內(nèi)的寄生阻抗給系統(tǒng)帶來的額外阻抗很可能超過了實(shí)際的MOSFET (自身導(dǎo)通阻抗)。要進(jìn)一步降低導(dǎo)通阻抗，獲得更高功率密度的方法之一是使用混合模塊。當(dāng)前許多應(yīng)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，對(duì)于高能量系統(tǒng)，系統(tǒng)尺寸和性能方面的改進(jìn)足以彌補(bǔ)器件成本增加的缺憾。
圖5. 汽車混合式模塊的示例
汽車電子MOSFET發(fā)展的一個(gè)最終方向是提高感測(cè)、控制和保護(hù)功率開關(guān)的能力。功率器件正在集成到智能化車載系統(tǒng)中。在最低功率級(jí)別，MOSFET現(xiàn)在可以與功率器件上的感測(cè)元件一起使用。這些感測(cè)元件能夠測(cè)量電流或溫度，并能夠連接到電子設(shè)備上以監(jiān)控系統(tǒng)性能，并在出現(xiàn)過流或過熱情況時(shí)保護(hù)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(jī)，甚至可能通過電機(jī)和門鎖控制整個(gè)門節(jié)點(diǎn)。對(duì)于更高能量的應(yīng)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(shí)現(xiàn)集成。通過把大功率MOSFET和控制集成電路整合在單個(gè)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(gè)實(shí)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(hù)功能提高功率系統(tǒng)的可靠性。如過流、過壓和過熱保護(hù)等功能都是這類產(chǎn)品的標(biāo)配。當(dāng)器件感測(cè)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(hù)整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)境中。此外，這些器件還集成有附加診斷功能，用以監(jiān)控負(fù)載開路或短路，有助于指導(dǎo)汽車機(jī)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(yīng)用背后最重要的推動(dòng)力量，以及眾多這類技術(shù)可用的原因所在：即是產(chǎn)品和系統(tǒng)成本。在汽車業(yè)務(wù)中，有不變的推動(dòng)力一直在降低產(chǎn)品和系統(tǒng)的成本。其不僅推動(dòng)元件成本的降低，也推動(dòng)車輛擁有成本的降低。在本文中，還把可靠性也視作成本推動(dòng)力。可能導(dǎo)致線路故障或現(xiàn)場(chǎng)故障的低成本功率器件并不是真正的低成本器件。在選擇汽車所采用的元件時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)品都是專為車載應(yīng)用及系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，并針對(duì)汽車終端使用而特性化及鑒定資格。汽車市場(chǎng)已為功率和智能功率器件建立了幾個(gè)產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，比如AECQ100 和 AECQ101標(biāo)準(zhǔn)。面向汽車市場(chǎng)開發(fā)和供應(yīng)的產(chǎn)品必須經(jīng)設(shè)計(jì)和特性化，以滿足這些嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保終端系統(tǒng)的性能能滿足設(shè)計(jì)人員，更重要的是，滿足車主對(duì)產(chǎn)品價(jià)值的期望。
小結(jié)
過去，選擇60V 還是 55V往往是最大的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)考慮事項(xiàng)在廣度方面已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。隨著電子系統(tǒng)針對(duì)娛樂、儀表板、動(dòng)力傳動(dòng)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(jì)，并且正在急劇增加之中。選擇正確的器件現(xiàn)已成為一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，需面對(duì)許多不同的技術(shù)選項(xiàng)，以達(dá)致所需的性能和成本目標(biāo)。
