汽车电子系统的功率MOSFET设计挑战

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简介:日益增加的汽车电子系统,沟道型MOSFET已成为当前大部分车载应用的标准器件。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。

日益增加的汽车电子系统

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。

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