功率半導(dǎo)體器件如何滿足汽車大電流應(yīng)用

　　在新興的汽車電子系統(tǒng)中，需要越來(lái)越多的電力供應(yīng)，使得汽車制造商向現(xiàn)有的功率控制和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)提出更高的要求，推動(dòng)著用于汽車的功率半導(dǎo)體和封裝技術(shù)向前發(fā)展，其所涉及的領(lǐng)域也已經(jīng)不只是功率MOSFET晶體管。  
與通用的功率半導(dǎo)體器件相比，這些在汽車上使用的功率半導(dǎo)體器件對(duì)電壓和電流、開關(guān)頻率、功率損失、動(dòng)態(tài)特性以及保護(hù)等方面的要求是很苛刻的。尤其是隨著汽車業(yè)從14 V規(guī)范轉(zhuǎn)到使用42 V規(guī)范，相應(yīng)的要求就更高了。同時(shí)，在汽車上用電力進(jìn)行的控制，例如用電力來(lái)制動(dòng)和轉(zhuǎn)向，也推動(dòng)著汽車電力電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷變革。 

　　處在這場(chǎng)變革中心的，是集成式啟動(dòng)器交流發(fā)電機(jī)（ISA），這是一種完全可逆的電機(jī)。利用這種集成式啟動(dòng)器發(fā)電機(jī)，可以高效率地實(shí)現(xiàn)許多需要很大峰值功率的電子功能。首先，當(dāng)汽車停下來(lái)等著交通燈從紅色轉(zhuǎn)成綠色時(shí)，可以把發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)掉，這是因?yàn)椋��?dāng)駕駛員踩下加速器時(shí)，交流發(fā)電機(jī)可以讓汽車很快地加速。這樣，汽車可以減少排放有毒廢氣，同時(shí)節(jié)省燃油。然而，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向（EPS）、用電力進(jìn)行的各種控制、主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)、電子透平機(jī)輔助設(shè)備、電子閥門控制、變速空調(diào)等等來(lái)講，ISA也是極為重要的。  

　　在技術(shù)方面，ISA的挑戰(zhàn)主要來(lái)自于大功率電子控制部分的設(shè)計(jì)。通常這是一個(gè)三相逆變器/整流器，為42 V負(fù)載供電，當(dāng)工作在整流器方式時(shí)，為 36 V電池進(jìn)行充電。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，它工作在逆變器方式，為啟動(dòng)器電動(dòng)機(jī)供電。為了實(shí)現(xiàn)合適的供電設(shè)計(jì)，要弄清對(duì)適合這種用途大功率電子器件的一系列要求。圖1是ISA控制器電路的一個(gè)例子。 

　　首先，功率MOSFET晶體管通過(guò)電流的能力必須很強(qiáng)，這樣ISA才可以滿足它所承受的最大負(fù)載的要求。一般地講，就是要求在低環(huán)境溫度的情況下對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行冷啟動(dòng)。大多數(shù)汽車制造商認(rèn)為，ISA有10 kW就足夠了。對(duì)于使用42 V功率系統(tǒng)的10 kW系統(tǒng)來(lái)講，逆變器中每只開關(guān)通過(guò)峰值電流的能力必須達(dá)到400 A的范圍。值得注意的一點(diǎn)是，雖然啟動(dòng)一臺(tái)熱的發(fā)動(dòng)機(jī)需要的電流較小，但是功率MOSFET晶體管的額定電流也會(huì)隨著溫度的上升而降低，因此ISA功率電路部分的溫度必須相當(dāng)?shù)�。另外，為了盡量提高額定電流，必須使用RDS（ON）低的MOSFET晶體管。 

　　其次，外型比較大或者比較小的汽車在功率方面的需求是不同的，ISA功率電路也要逐一滿足這些需求。 

　　降低正向電壓可以提高發(fā)電機(jī)工作效率。降低寄生電感對(duì)于減少切換時(shí)產(chǎn)生的電壓尖脈沖也是極為重要的。由于器件封裝的電感很大，許多人認(rèn)為使用模塊是最好的辦法。但是，由于模塊封裝會(huì)限制通過(guò)電流的能力，有些開發(fā)人員贊成用分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，還有些人則考慮使用先進(jìn)的封裝來(lái)提高通過(guò)電流的能力，同時(shí)盡量減少寄生電感。 

　　除此之外，還有在切換過(guò)程方面的進(jìn)一步要求，就是要針對(duì)所使用的開關(guān)頻率（一般是數(shù)千赫茲）進(jìn)行優(yōu)化。ISA逆變器/整流器還需要在很高的頻率和在環(huán)境溫度高達(dá)150 ℃的情況下能夠提供全部的功率。 

　　最后，總成本無(wú)疑也是非常重要的。雖說(shuō)自從汽車產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)以來(lái)，一直就在提高性能，成本一直是起支配作用的因素。然而任何改進(jìn)只有在費(fèi)用很少或者不增加價(jià)錢的情況才會(huì)為人們所接受。 

　　模塊是針對(duì)42 V規(guī)范的混合汽車設(shè)計(jì)。在這種汽車中，動(dòng)力主要是由內(nèi)燃機(jī)提供的。這個(gè)模塊是一個(gè)半橋電路，其中有兩個(gè)功率MOSFET晶體管芯片（每個(gè)為150 mm 2），能夠在42 V的電源母線上對(duì)600 A的電流進(jìn)行切換。為了降低熱應(yīng)力，F(xiàn)ET晶體管安裝在陶瓷基片上，同時(shí)陶瓷基片的溫度系數(shù)與硅是完全匹配的。利用先進(jìn)的導(dǎo)線壓焊技術(shù)，模塊能夠承受汽車在這種環(huán)境中溫度的變化和功率的變化。功率引線是與層狀的匯流排完全匹配，目的是減少雜散電感，使雜散電感低于8 nH。為了降低電磁干擾（EMI）帶來(lái)的影響，柵極驅(qū)動(dòng)電路、感測(cè)電路和保護(hù)電路都裝在一塊很小的印刷