汽車電子功率MOSFET

功率MOSFET解決方案

　　·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。

　　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。

　　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。

結(jié)語

　　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)。