汽车功率MOSFET解决更多设计挑战

yulzhu

在过去15到20年里，汽车功率MOSFET已从最初的技术话题发展成为一项动态化的业务。功率MOSFET之所以被选择，是因为其能够耐受汽车电子系统中常遇到的掉载和系统能量突变等引起的瞬态高压现象。而且其封装简单，主要采用TO220和TO247封装。电动车窗、燃油喷射、间歇式雨刷和巡航控制等应用已逐渐成为大多数汽车的标配，在设计中需要类似的功率器件。在这期间，车用功率MOSFET也随着电机、螺线管和燃油喷射器的日益普及而也不断推广。
如今的汽车电子系统已开创了功率器件的新时代。本文将介绍和讨论几种推动汽车电子功率器件变革的新型应用，并探讨可实现当前汽车电子系统的功率MOSFET的一些发展。这些发展将有助于促进汽车电子行业前进，尤其是在中国等新兴市场。
市场动态
在新型汽车应用中，有4大要素在推动着汽车电子功率器件的演变：
· 足够的关断电压等级(Vvdss)
· 系统功率要求
· 系统智能性/生存能力
· 产品和系统成本
汽车电子应用一直都采用VVDSS约为60V的功率器件。但是，新的系统同时采用更高和更低的电压等级，以更具低成本高效性的方式提供前所未有的系统性能。
高压电/磁电喷射系统和高强度照明是两种广为流行的应用。这两种应用都需要耐击穿电压高达150V～300V的功率MOSFET。势能更高的压电和磁电燃油喷射系统能够提供更准确的燃油喷射和更精细的空气/燃油混合比例，从而使得燃烧更充分，降低废气排放，并最终提高性能。
高强度照明技术比普通白炽灯消耗更少的能量，却能够产生更大的照明强度，因此不仅可以提高驾驶人员在夜晚或恶劣天气条件下的能见度，还能便于其他驾驶人员看到自己的车辆。
除了带更高电压的汽车电子功率应用，车内消费产品的快速涌现也对电压范围提出更高要求。CD/DVD播放器、卫星无线电、手机、GPS导航、MP3播放器接口就是需要功率MOSFET器件的新型应用范例，其所需的实际功率一般低于采用更小的分立或集成式元件的功率范围。功率器件具有它们所服务的消费产品的相同特征。
在上述应用中，尺寸非常重要，故往往采用PCB封装(其占位面积更小)，或表面封装的新型功率器件。它们普遍运用Power 56和Super SOT SSOT 6等封装方式，在很小的封装中提供相当高的功率处理能力。
日益增加的电子系统
许多曾是机械或液压式的车载系统正在转型为电动或电动/液压混合系统，其中最先转变的是散热器风扇。采用电动电机后可去掉风扇皮带，风扇亦可通过现有引擎或根据冷却剂温度得到更精确的控制。
其他类似应用还有电动助力转向(EPS)、集成式启动器交流发电机(ISA)和主动式悬挂系统。电动助力转向和主动式悬挂系统为车载系统设计人员提供了相当大的灵活性，让他们可以在多个车辆平台上使用硬件系统，并通过软件修改来改变车辆从轻便到豪华型的感觉。
这些电动/机械系统的特征之一是使用的功率等级极高。这些高能系统需要大电流功率开关。这些应用一般采用额定电压30V～40V的高性能沟道型MOSFET(Trench MOSFET)，来以尽量小的损耗提供最高的电流转换。
沟道型MOSFET已成为当前大部分车载应用的标准器件。在以前，平面型MOSFET构建于硅晶圆表面之上，而沟道型MOSFET是在硅片上蚀刻垂直沟道，所以让功率开关能拥有更高的单元密度和更低的导通阻抗。
由于这些电机系统大多采用了MOSFETH桥式电机驱动结构，两个器件总是串联以便使用电压更低的MOSFET，并耐受常见的汽车高电压冲击现象。相比60VMOSFET，这些击穿电压更低的器件能够把开关的导通阻抗降低50%。这将使得系统功耗减少50%，从而减少系统发热，把散热要求降至最低。
随着车载系统设计人员累积了更多有关低电压功率MOSFET的经验，并开始认识到其性能和成本优势，低电压功率MOSFET的应用范围正在向刹车和显示屏控制等其他低功率系统扩展。
如今的功率沟道型MOSFET拥有低至1或2mΩ的导通阻抗(RDS(ON))。这大大降低了系统功耗，却给车载系统设计人员带来了其他复杂性。板上布线、系统连接甚至封装中的引线等寄生阻抗，都给系统带来可能超过了实际MOSFET自身导通阻抗的额外阻抗。
混合模块
要进一步降低导通阻抗并获得更高功率密度，有一个方法是使用混合模块。当前许多应用都已开始放弃传统的功率封装解决方案，改为在IMS(绝缘金属基板)或DBC(直接键合铜) 等材料制作的绝缘基板上安装裸片。相比分立式功率封装，即使在使用相同功率硅芯片的情况下，这些模块提供的能量和电流能力更高。
模块可以提供更高密度的裸片键合或更大的裸片引线键合，从而减小互连阻抗，并把功率元件之间的距离减至最小。这种更高能量密度带来的是元件成本较分立式封装方案高。不过，对于高能量系统，系统尺寸和性能方面的改进足以弥补器件成本的增加。
汽车电子MOSFET发展的另一个方向是感测、控制和保护功率开关性能的提高。功率器件正集成到车载系统的智能中。在最低功率级别，MOSFET如今可以与功率器件上的感测元件一起使用。这些感测元件能够测量电流或温度，连接到电子设备上从而监控系统性能，并在出现过流或过热情况时保护功率器件免受损害。
30V～60V范围的更低功率器件正被集成到串联接口和微控制器等单片式IC中。这种专用的单片IC能够控制小型电机，或通过电机和门锁控制整个门节点。对于单片式IC在成本或技术上都不可行的更高能应用，可以采用创新型封装来实现集成。通过把大功率MOSFET和控制集成电路整合在单个封装中，可以构建超高功率的智能系统。
这些智能化器件可以提供更高的系统性能监控能力，通过集成保护功能提高功率系统的可靠性。它们都具有过流、过压和过热保护等标准配置型功能。当器件感测到有可能发生上述异常状况时，能够把功率MOSFET置于整个系统自我保护的环境中。此外，这些器件还可集成诊断功能，来监控负载开路或短路，有助于指导汽车机械装置隔离和纠正车辆中出现的问题。
这些所有应用背后的最后一个或许也是最重要的一个推动力量，以及众多此类技术可用的原因所在，就是产品和系统成本。在汽车业务中，有不变的推动力一直在降低产品和系统的成本。其不仅推动元件成本的降低，也推动车辆拥有成本的降低。
本文还将可靠性纳入成本的推动力之一。一个可能导致线路故障或现场故障的低成本功率器件并不能算真正的低成本器件。在选择汽车所采用的元件时，系统设计人员必须把成本和可靠性作为主要的推动因素。
本文中讨论的产品都是特别为汽车应用和系统而专门设计，足以用于汽车终端应用。汽车市场已创建了几个针对功率和智能功率器件的产品认证标准，如AECQ100和AECQ101标准。面向汽车市场开发和供应的产品必须经设计和特性化，以满足这些严格标准的要求，确保终端系统的性能能够满足设计人员，更重要的是满足车主对产品价值的期望。
本文小结
经过数年的发展，如今汽车内部的功率器件和设计考虑在广度方面已取得了长足的进步,而在过去只需要考虑选择60V还是55V的器件。随着用于娱乐、仪表板、动力传动控制、安全性、车厢和稳定性控制、车身及便利性控制等应用的电子系统的不断普及，汽车中的功率器件数目已达到数百种，而且数量还在急剧增加。如今，选择正确的器件已成为一项复杂的挑战，但我们却拥有可以实现所需性能和成本目标的众多不同选择。