功率半導體器件如何滿足汽車大電流應用

　　在新興的汽車電子系統(tǒng)中，需要越來越多的電力供應，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，推動著用于汽車的功率半導體和封裝技術(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。  
與通用的功率半導體器件相比，這些在汽車上使用的功率半導體器件對電壓和電流、開關(guān)頻率、功率損失、動態(tài)特性以及保護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，相應的要求就更高了。同時，在汽車上用電力進行的控制，例如用電力來制動和轉(zhuǎn)向，也推動著汽車電力電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷變革。 

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

　　在技術(shù)方面，ISA的挑戰(zhàn)主要來自于大功率電子控制部分的設(shè)計。通常這是一個三相逆變器/整流器，為42 V負載供電，當工作在整流器方式時，為 36 V電池進行充電。在發(fā)動機啟動時，它工作在逆變器方式，為啟動器電動機供電。為了實現(xiàn)合適的供電設(shè)計，要弄清對適合這種用途大功率電子器件的一系列要求。圖1是ISA控制器電路的一個例子。 

　　首先，功率MOSFET晶體管通過電流的能力必須很強，這樣ISA才可以滿足它所承受的最大負載的要求。一般地講，就是要求在低環(huán)境溫度的情況下對內(nèi)燃機進行冷啟動。大多數(shù)汽車制造商認為，ISA有10 kW就足夠了。對于使用42 V功率系統(tǒng)的10 kW系統(tǒng)來講，逆變器中每只開關(guān)通過峰值電流的能力必須達到400 A的范圍。值得注意的一點是，雖然啟動一臺熱的發(fā)動機需要的電流較小，但是功率MOSFET晶體管的額定電流也會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?shù)汀Ａ硗�，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)電機工作效率。降低寄生電感對于減少切換時產(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，許多人認為使用模塊是最好的辦法。但是，由于模塊封裝會限制通過電流的能力，有些開發(fā)人員贊成用分立元件來實現(xiàn)，還有些人則考慮使用先進的封裝來提高通過電流的能力，同時盡量減少寄生電感。 

　　除此之外，還有在切換過程方面的進一步要求，就是要針對所使用的開關(guān)頻率（一般是數(shù)千赫茲）進行優(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150 ℃的情況下能夠提供全部的功率。 

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

　　模塊是針對42 V規(guī)范的混合汽車設(shè)計。在這種汽車中，動力主要是由內(nèi)燃機提供的。這個模塊是一個半橋電路，其中有兩個功率MOSFET晶體管芯片（每個為150 mm 2），能夠在42 V的電源母線上對600 A的電流進行切換。為了降低熱應力，F(xiàn)ET晶體管安裝在陶瓷基片上，同時陶瓷基片的溫度系數(shù)與硅是完全匹配的。利用先進的導線壓焊技術(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）帶來的影響，柵極驅(qū)動電路、感測電路和保護電路都裝在一塊很小的印刷