中心論題：
- 車(chē)用功率MOSFET不斷發(fā)展壯大。
- 汽車(chē)電子功率器件的市場(chǎng)動(dòng)態(tài)。
- 功率MOSFET的解決方案。
- 同時(shí)使用更高和更低的電壓等級(jí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能。
- 電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)的靈活性。
- 在硅片上蝕刻垂直溝道獲得更高的單元密度和更低的導(dǎo)通阻抗
- 混合模塊獲得更高的功率密度。
- 感測(cè)原件保護(hù)功率器件免受損害。
過(guò)去15到20年間，汽車(chē)用功率MOSFET已從最初的技術(shù)話(huà)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?chē)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。且封裝很簡(jiǎn)單，主要采用TO220 和 TO247封裝。電動(dòng)車(chē)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(chē)的標(biāo)配，在設(shè)計(jì)中需要類(lèi)似的功率器件。在這期間，隨著電機(jī)、螺線(xiàn)管和燃油噴射器日益普及，車(chē)用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。
今天的汽車(chē)電子系統(tǒng)已開(kāi)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(lái)，汽車(chē)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(jiàn)度，同時(shí)也便于其它駕駛?cè)藛T看到自己的車(chē)輛。
許多歷來(lái)是機(jī)械或液壓式的車(chē)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(lái)進(jìn)行更精確的控制。其它類(lèi)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(chē)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(chē)輛平臺(tái)上使用硬件系統(tǒng)，并通過(guò)軟件修改來(lái)改變車(chē)輛從輕便到豪華型的感覺(jué)。
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(kāi)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
MOSFET的采用已成為當(dāng)前大部分車(chē)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是在硅上蝕刻垂直溝道，從而讓功率開(kāi)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(jiàn)的汽車(chē)高電壓沖擊現(xiàn)象。相60V MOSFET，這些擊穿電壓更低的器件能夠把開(kāi)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。
隨著車(chē)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(kāi)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(chē)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(chē)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了其它復(fù)雜性，包括板上布線(xiàn)、系統(tǒng)連接以及封裝中引線(xiàn)在內(nèi)的寄生阻抗給系統(tǒng)帶來(lái)的額外阻抗很可能超過(guò)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(kāi)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(xiàn)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(guò)，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。
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(zhuān)用的單片IC能夠控制小型電機(jī)，甚至可能通過(guò)電機(jī)和門(mén)鎖控制整個(gè)門(mén)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(lái)實(shí)現(xiàn)集成。通過(guò)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(chē)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(guò)集成保護(hù)功能提高功率系統(tǒng)的可靠性。如過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)等功能都是這類(lèi)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(kāi)路或短路，有助于指導(dǎo)汽車(chē)機(jī)械裝置隔離和糾正車(chē)輛中出現(xiàn)的問(wèn)題。
過(guò)去，選擇60V 還是 55V往往是最大的設(shè)計(jì)問(wèn)題之一，而經(jīng)過(guò)數(shù)年的發(fā)展，如今汽車(chē)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(lè)、儀表板、動(dòng)力傳動(dòng)控制、安全性、車(chē)廂和穩(wěn)定性控制以至車(chē)身及便利性控制等不斷發(fā)展，一般汽車(chē)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)。
