【導(dǎo)讀】日益嚴(yán)格的能效及環(huán)保法規(guī)推動(dòng)汽車(chē)功能電子化趨勢(shì)的不斷增強(qiáng)和混合電動(dòng)汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)(HEV/EV)的日漸普及，這加大了對(duì)高能效和高性能的電源和功率半導(dǎo)體器件的需求。安森美半導(dǎo)體作為汽車(chē)功能電子化的領(lǐng)袖之一和全球第二大功率分立器件和模塊半導(dǎo)體供應(yīng)商，提供廣泛的高能效和高可靠性的系統(tǒng)方案，并采用新型的寬禁帶材料如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，用于汽車(chē)功能電子化和HEV/EV應(yīng)用。
HEV/EV重點(diǎn)應(yīng)用及方案概覽
HEV/EV的重點(diǎn)應(yīng)用有：車(chē)載充電器、電池管理、牽引逆變器、輔助逆變器、48 V皮帶啟動(dòng)發(fā)電機(jī)(BSG)和DC-DC轉(zhuǎn)換器。
典型的HEV/EV高壓應(yīng)用框圖如圖1所示。交流電源通過(guò)車(chē)載充電器輸出直流電源，由電池管理系統(tǒng)給高壓電池充電，同時(shí)，高壓電池為主逆變器、輔助高壓逆變器及高壓PTC加熱器提供電源，除了以上高壓負(fù)載以外，HEV/EV汽車(chē)還有很多低壓負(fù)載，需要高壓轉(zhuǎn)低壓 (HV-LV) 的DC-DC提供電源。
圖1：典型的HEV/EV高壓應(yīng)用框圖
對(duì)于車(chē)載充電器，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊、超級(jí)結(jié)MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模塊作為PFC升壓開(kāi)關(guān)及DC-DC全橋，同時(shí)采用整流器作為輸入輸出整流橋及PFC升壓應(yīng)用。對(duì)于主逆變器，可采用IGBT裸片、SiC MOSFET裸片、分立器件及模塊。對(duì)于HV-LV DC-DC，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊、超級(jí)結(jié)MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模塊作為全橋，及采用整流器作為輸出整流橋。對(duì)于輔助逆變器，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊。對(duì)于高壓PTC加熱器，可采用溝槽和平面IGBT分立器件。對(duì)于48 V BSG，可采用中壓MOSFET模塊。
汽車(chē)IGBT分立器件
安森美半導(dǎo)體的IGBT技術(shù)處于行業(yè)領(lǐng)先地位，已從最早的穿通型(PT)、非穿通型(NPT)發(fā)展到了現(xiàn)在的場(chǎng)截止(FS)平面及溝槽工藝。FS IGBT的特性及性能為：低導(dǎo)通和開(kāi)關(guān)損耗；正溫度系數(shù)便于并聯(lián)運(yùn)行；最大結(jié)溫 : Tj=175degC；緊密的參數(shù)分布；大的安全工作區(qū)域(SOA)。目前安森美半導(dǎo)體的第三代場(chǎng)截止(FSIII)工藝的產(chǎn)品性能已接近行業(yè)頂尖水平，并將于2018年開(kāi)始研發(fā)FSIV工藝。
安森美半導(dǎo)體目前提供的汽車(chē)級(jí)分立IGBT的電壓范圍主要是600 V至650 V、電流范圍從20 A至160 A，同時(shí)提供D2PAK、TO247等多種封裝選擇。
表1：安森美半導(dǎo)體用于HEV的分立IGBT陣容
除了傳統(tǒng)的 分立器件和模塊，安森美半導(dǎo)體同時(shí)提供汽車(chē)級(jí)裸片，目前公司已量產(chǎn)的IGBT和快恢復(fù)二極管(FRD)裸片主要是650 V產(chǎn)品，電流包含160 A、200 A和300 A，同時(shí)積極研發(fā)750 V和1200 V IGBT和FRD裸片。
安森美半導(dǎo)體提供集成電流檢測(cè)及溫度檢測(cè)的IGBT裸片。電流檢測(cè)功能通過(guò)測(cè)量一個(gè)并聯(lián)的小IGBT的電流，然后乘以一個(gè)已知的比例因子來(lái)實(shí)現(xiàn)，適用于過(guò)流、芯片組算法來(lái)提高整個(gè)溫度范圍內(nèi)的電流檢測(cè)精度。溫度檢測(cè)功能通過(guò)測(cè)量一串多晶硅二極管的正向電壓VF來(lái)實(shí)現(xiàn)，VF與溫度線(xiàn)性相關(guān)，用作硅結(jié)的精確的溫度傳感器。
汽車(chē)高壓整流器
根據(jù)不同的應(yīng)用，整流器可選擇更低導(dǎo)通損耗或更低開(kāi)關(guān)損耗的產(chǎn)品，各類(lèi)產(chǎn)品的主要特點(diǎn)及應(yīng)用如圖2所示。
圖2：整流器的技術(shù)定位
安森美半導(dǎo)體量產(chǎn)的汽車(chē)級(jí)高壓整流器包括600 V、1000 V和1200 V的產(chǎn)品，電流從4 A至80 A，提供DPAK、TO220和TO247等多種封裝選擇。
表2：安森美半導(dǎo)體汽車(chē)級(jí)高壓整流器陣容
牽引逆變器功率模塊
安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新了雙面散熱汽車(chē)高壓功率模塊，用于牽引逆變器，采用雙面可焊接工藝晶圓集成電流及溫度檢測(cè)功能，結(jié)合緊湊的布局，從而實(shí)現(xiàn)同類(lèi)產(chǎn)品最佳的熱性能及電氣性能：降低約40% 熱阻，雜散電感低至7 nH。其模塊化的結(jié)構(gòu)增加功率密度，減小尺寸、重量及成本，實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)最佳的溝槽場(chǎng)截止IGBT配合軟恢復(fù)二極管以提供最佳性能。超低寄生效應(yīng)的單個(gè)裸片實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化的門(mén)極驅(qū)動(dòng)器，額外的表面使其它電子器件如總線(xiàn)電容實(shí)現(xiàn)無(wú)源散熱，精密的傳感器用于高速及準(zhǔn)確的系統(tǒng)診斷。
該系列模塊提供650 V和1200 V電壓選擇，額定電流400 A至1000 A，滿(mǎn)足廣泛的功率等級(jí)，最多可擴(kuò)展至6套，用于包括升壓轉(zhuǎn)換器的完整混合逆變器動(dòng)力傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最低的系統(tǒng)成本。
其模塊化及通用設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水平及垂直裝配。對(duì)于水平安裝，電源腳支持螺釘、焊接或焊錫連接，提供多種引腳彎曲選項(xiàng)，信號(hào)引腳支持press fit選項(xiàng)。對(duì)于垂直安裝，提出超緊湊的3D概念，最適用于混合電動(dòng)汽車(chē)及插電混合電動(dòng)汽車(chē)(HEV & PHEV)，集成逆變器、發(fā)電機(jī)及DC-DC升壓器到單個(gè)液體冷卻系統(tǒng)。
汽車(chē)超級(jí)結(jié)(SJ) MOSFET
SJ MOSFET是利用電荷平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)出色的低導(dǎo)通電阻和低柵極電荷性能、從而最小化導(dǎo)通損耗并提供出色的開(kāi)關(guān)性能的新型MOSFET。圖3所示為650 V SJ MOSFET技術(shù)演進(jìn)。
圖3：650 V SJ MOSFET技術(shù)演進(jìn)
SJ MOSFET各版本對(duì)比如下：
快速版本通過(guò)最大限度地降低Crss來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要特性包括： 高能效、硬開(kāi)關(guān)拓?fù)洹p小Qg和Eoss，主要應(yīng)用于升壓PFC、全橋、雙向Buck-Boost、半無(wú)橋PFC。
易驅(qū)動(dòng)版本通過(guò)內(nèi)置Rg實(shí)現(xiàn)，具有低門(mén)極震蕩、低EMI和電壓尖峰、易驅(qū)動(dòng)、控制更低的Coss、硬/軟開(kāi)關(guān)拓?fù)涞忍匦裕饕獞?yīng)用于升壓PFC、半無(wú)橋PFC、相移DC-DC。
快恢復(fù)版本主要通過(guò)載流子壽命控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要特性有：快速體二極管、小的Qrr 和Trr、強(qiáng)固的二極管、更好的可靠性、軟諧振開(kāi)關(guān)，主要應(yīng)用于LLC、LCC、雙有源橋式DC-DC等拓?fù)洹?/div>
相同封裝的情況下，SuperFET® III比SuperFET® II的Rds (on)減小近50%，提供更高的功率密度，適用于高功率車(chē)載充電系統(tǒng)，且更少的并聯(lián)MOSFET需要更少的空間，從而使得并聯(lián)器件的布局串?dāng)_更小。
安森美半導(dǎo)體已量產(chǎn)的汽車(chē)SJ MOSFET和裸片陣容如表3所示。
表3：安森美半導(dǎo)體的SJ MOSFET和裸片陣容
寬禁帶(WBG)
寬禁帶半導(dǎo)體材料被稱(chēng)為第三代半導(dǎo)體材料，以SiC和GaN為代表，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導(dǎo)率大等特性，提供卓越的開(kāi)關(guān)性能、溫度穩(wěn)定性和低電磁干擾（EMI）。以SiC為例，具有比硅(Si)高10倍的介電擊穿強(qiáng)度、高2倍的電子飽和速度、高3倍的能量帶隙、高3倍的熱導(dǎo)率，其更高的開(kāi)關(guān)頻率支持更小的磁性和被動(dòng)元件，降低整體系統(tǒng)的尺寸和成本，采用SiC比采用Si的牽引逆變器或車(chē)載充電器減少了系統(tǒng)的重量，需要較少的冷卻和提供更高的能效，從而增加每次充電的續(xù)航英里。而GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度，其高電子遷移率意味著更出色的開(kāi)關(guān)性能，而低損耗加上高結(jié)溫特性，可降低散熱量，高開(kāi)關(guān)頻率可減少濾波器和無(wú)源器件的使用，最終減小系統(tǒng)尺寸和重量，提升功率密度。
安森美半導(dǎo)體是唯一能同時(shí)提供GaN和SiC器件的供應(yīng)商，并以此積極開(kāi)發(fā)更多不同的器件以滿(mǎn)足HEV/EV汽車(chē)各類(lèi)應(yīng)用的需求。
汽車(chē)高壓輔助智能功率模塊（IPM）
汽車(chē)高壓輔助IPM的目標(biāo)應(yīng)用是純電動(dòng)汽車(chē)、插電混合動(dòng)力汽車(chē)、重度混合動(dòng)力汽車(chē)、中度混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)中的所有輔助IPM，包括高壓冷卻風(fēng)扇、渦輪增壓器、空調(diào)壓縮機(jī)、高壓電動(dòng)水泵/油泵/燃油泵等。
汽車(chē)高壓IPM模塊基于出色的DBC基板，具有超低熱阻，確保Tj=175℃，提供同類(lèi)最佳的溫度循環(huán)試驗(yàn)及電源可靠性，實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)使用壽命，具備出色的強(qiáng)固性，即使在最壞的情況下，耐短路時(shí)間超過(guò)5 us，采用高度集成緊湊的封裝，集成6個(gè)功率器件/HVIC/DBC/全面的保護(hù)等，短設(shè)計(jì)周期及裝配流程實(shí)現(xiàn)IPM完全優(yōu)化以提供穩(wěn)定的EMI 及熱性能。
安森美半導(dǎo)體目前正積極開(kāi)發(fā)應(yīng)用于汽車(chē)電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)、汽車(chē)風(fēng)扇、超級(jí)充電器、油泵/水泵的ASPM®27系列V2 和ASPM®34系列。
汽車(chē)功率模塊
安森美半導(dǎo)體具備領(lǐng)先的封裝技術(shù)、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造能力及快速響應(yīng)能力，提供功率從0.8 kW到20 kW、電壓從12 V至470 V的汽車(chē)功率模塊用于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向、制動(dòng)及加速防滑系統(tǒng)(ARS)、空調(diào)壓縮機(jī)、超級(jí)充電器、皮帶/集成的起動(dòng)發(fā)電機(jī)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、電池開(kāi)關(guān)、車(chē)載充電器等應(yīng)用，并根據(jù)客戶(hù)需求定制不同的封裝設(shè)計(jì)和方案和提供快速響應(yīng)。
安森美半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)的APM19和APM17汽車(chē)模塊陣容如表4所示。
表4：安森美半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)的APM19和APM17汽車(chē)模塊陣容
總結(jié)
作為汽車(chē)功能電子化的領(lǐng)袖之一和全球第二大功率分立器件和模塊半導(dǎo)體供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體擁有同類(lèi)最佳的IGBT、MOSFET、WBG技術(shù)，和創(chuàng)新及高效的功率模塊封裝，提供用于汽車(chē)功能電子化廣泛的高能效、高可靠性的汽車(chē)電源半導(dǎo)體，并可根據(jù)客戶(hù)需求提供定制方案，通過(guò)世界一流的供應(yīng)鏈，配合汽車(chē)功能電子化趨勢(shì)和滿(mǎn)足不同應(yīng)用需求。
