科普混合動力車中大功率元件的五大要素

　　盡管內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動的汽車可以相對輕松地從12V電池供電和相應(yīng)的12V/14V交流馬達(dá)獲取車載系統(tǒng)的電氣需求，但由于混合動力電動汽車採用了幾個系統(tǒng)，它們需要更高的功率等級。對于輕混、全混、插電式混合動力汽車或純電動汽車而言，耗能最多的組件是馬達(dá)驅(qū)動裝置。該裝置需要在沒有內(nèi)燃機(jī)支援的情況下，至少在一定時間內(nèi)有效驅(qū)使車輛行進(jìn)。為在不損失阻性連接通道上大部份電能條件下，為數(shù)十千瓦至上百千瓦的大功率馬達(dá)供電，大電流路徑需要實現(xiàn)更高的電壓（範(fàn)圍為600V至1，200V）。但即使在如此之高的電壓條件下，所需的電流水平也不過為幾百安培。

　　高壓電網(wǎng)的導(dǎo)入，使汽車產(chǎn)業(yè)開始採用兩個全新的功率密集型產(chǎn)品：將直流轉(zhuǎn)換成交流以驅(qū)動馬達(dá)的DC-AC轉(zhuǎn)換器，以及在高壓電網(wǎng)和12V電網(wǎng)之間實現(xiàn)電能交換的DC-DC轉(zhuǎn)換器。混合動力汽車仍然需要12V電網(wǎng)，因為多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)汽車電子系統(tǒng)都採用12V電源。

　　如前所述，換流器和轉(zhuǎn)換器需要管理幾千瓦的功率，因此需要配備最佳化半導(dǎo)體元件和高級封裝的十分復(fù)雜的高效電子裝置。因此，這種半導(dǎo)體平臺要滿足這些全新高功率電子系統(tǒng)的要求需具備下述性能：

　　1） 在各種應(yīng)用中具備更高能效；

　　2） 更高的載流能力，在600V至1，200V典型電壓條件下，載流能力為100A至300A；

　　3） 更出色的機(jī)械和電氣性能，確保能夠經(jīng)受惡劣的汽車環(huán)境，同時滿足防失效設(shè)計所有安全和保護(hù)要求；

　　4） 更低的電磁干擾和寄生電感，由于開關(guān)大電流和高壓會產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁場，包括傳導(dǎo)或傳遞噪音/電磁干擾、過壓尖峰和對汽車感應(yīng)電子裝置造成影響的其他干擾等。

　　下文詳細(xì)探討圖1所示的可解決上述問題的5個主要平臺元素：

　　圖1：滿足混合動力電動汽車的功率管理需求的五大‘必備要素’。

　　1. 高效的高壓IGBT：在電壓範(fàn)圍為600V至1，200V條件下，要想高效地開關(guān)幾百安培的大電流，需要採用這種類型的功率開關(guān)。相對于MOSFET而言，溝槽型IGBT在這些高壓條件下能效更高。這些元件在極高的電流密度條件下，具備極低的導(dǎo)通電阻。如果採用標(biāo)準(zhǔn)接腳鍵合封裝，其性能將會大幅受到這種傳統(tǒng)裝配技術(shù)的限制。因此IR公司專利的可焊正面金屬製程，使IGBT能夠被焊接在兩側(cè)，因而徹底避免在換流器或轉(zhuǎn)換器模組中使用接腳鍵合。該解決方案可解決上文所述的兩個以上的問題：由于避免了‘鍵合接腳脫落’這種典型的故障模式，無接腳鍵合裝配的可靠性和穩(wěn)健性大幅提高。潛在的故障機(jī)制是焊劑磨損殆盡，但這需要很長的時間和很高的應(yīng)力。採用這種技術(shù)的模組廠商可使用更小的元件──相對于接腳鍵合裝配解決方案，可在更高溫度條件下執(zhí)行，并能夠承受更寬的溫度變化。圖2顯示的是高級無接腳鍵合裝配的應(yīng)力測試典型結(jié)果。

　　圖2：採用基于專利陶瓷的定製封裝的接腳鍵合IGBT，與無接腳鍵合雙面焊接IGBT的功率循環(huán)的比較。左圖和右圖顯示不同的溫度應(yīng)力剖面，每個豎條代表一種被測元件。

　　除提高穩(wěn)健性外，採用前面可焊金屬的元件還能改善其他問題，包括寄生電感、產(chǎn)生噪音的振鈴以及大電流開關(guān)帶來的電磁干擾等。透過實現(xiàn)雙面焊接連接，感應(yīng)率被降至最低或者完全消失。事實證明，IR公司的無接腳鍵合元件相對于任何標(biāo)準(zhǔn)的接腳鍵合或塑料封裝元件，具備更出色的開關(guān)性能。例如，圖3為IR公司的專利DirectFET封裝與接腳鍵合塑料封裝元件的快速開關(guān)性能比較。

　　圖3：IR公司的專有無接腳鍵合DirectFET封裝，可降低寄生電感和振鈴，明確具備更出色的電磁干擾性能。

　　2. 先進(jìn)的封裝是高效電源管理平臺的另一個重要的因素。如上文所述，IR公司針對汽車產(chǎn)業(yè)推出了十分先進(jìn)的封裝技術(shù)。將結(jié)實耐用的前面金屬層置于我們的硅開關(guān)（MOSFET、IGBT）上，使我們能夠?qū)o接腳鍵合的晶片級功率封裝應(yīng)用于所有功率開關(guān)。直接封裝（Direct-Packages）具備出色的開關(guān)性能、基本為零的寄生電感、更強(qiáng)的機(jī)械可靠性和強(qiáng)韌性──塬因是避免了接腳鍵合，還能實現(xiàn)晶片雙面散熱。如果一面有接腳鍵合是無法實現(xiàn)雙面散熱的。這些封裝解決了上文所述的主要問題，使客戶能夠設(shè)計出創(chuàng)新的控制裝置和電源模組。

　　3. 快速開關(guān)元件也是混合動力電動汽車應(yīng)用一個十分重要的需求。儘管馬達(dá)驅(qū)動變頻器的典型開關(guān)頻率為6kHz至10kHz，但DC-DC轉(zhuǎn)換器或其他電池充電裝置通常具備更高的頻率範(fàn)圍（100kHz至200kHz），以提高降壓/升壓轉(zhuǎn)換器效率，并縮小這些系統(tǒng)中的被動組件（電感器/電容器）的尺寸。不幸的是，基于其雙極元件實體特徵，IGBT可在10KHz開關(guān)頻率下達(dá)到最理想的性能，但在100kHz以上的高頻條件下，需採用特殊的MOSFET、CoolMOS或超結(jié)（Super Junction）元件。不過，這些元件都有缺點，例如極高的成本和有限的穩(wěn)健性等。IR公司的汽車產(chǎn)品組合，提供了以更低的成本和出色的開關(guān)性能解決這些問題的替代解決方案。IR公司的汽車用DirectFET，設(shè)立了電壓高達(dá)250V的快速開關(guān)性能的標(biāo)桿。更高電壓的快速開關(guān)產(chǎn)品，需要採用IR公司的專有WARP speed IGBT。相較典型的高壓超結(jié)元件而言，WARP speed IGBT可以更出色的性價比實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。新一代汽車WARP speed IGBT可滿足100kHz以上的開關(guān)頻率要求，因此是混合動力電動汽車的大功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的理想解決方案。

　　4. 具備高抗雪崩能力的MOSFET，是混合動力電動汽車半導(dǎo)體平臺的另一個重要元件。硬開關(guān)產(chǎn)品常常需要MOSFET透過進(jìn)入雪崩模式實現(xiàn)重復(fù)開關(guān)。在雪崩模式下，電壓基本上會超過擊穿電壓，高度加速的載流子在擊穿電壓水平下，會涌入MOSFET的PN結(jié)區(qū)。這些高度加速的‘熱載流子’通常會逐漸損壞閘極氧化層。經(jīng)過一段時間或重復(fù)多次出現(xiàn)雪崩事件后，MOSFET會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損傷。閾值電壓漂移，漏電流逐漸增大，或者有時閘極氧化層斷裂。IR公司的專利MOSFET尤其穩(wěn)健耐用，可實現(xiàn)可靠的重復(fù)雪崩開關(guān)。事實證明，這些元件應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動等電感負(fù)載的硬開關(guān)產(chǎn)品時，穩(wěn)健性。結(jié)合無接腳鍵合Direct封裝，這些元件可設(shè)立開關(guān)性能標(biāo)桿，同時確保出眾的硅晶片穩(wěn)健性。

　　5.驅(qū)動功率元件的穩(wěn)健耐用、功能強(qiáng)大的控制IC。為幫助系統(tǒng)設(shè)計人員利用所需的控制IC完成整個功率級開發(fā)任務(wù)，IR公司推出了陣容強(qiáng)大的汽車用驅(qū)動IC產(chǎn)品組合。該產(chǎn)品組合適用于廣泛的拓樸結(jié)構(gòu)，可滿足高級換流器、轉(zhuǎn)換器或電源的系統(tǒng)需求。專有的汽車用高壓和低壓閘極驅(qū)動IC，具備非凡的穩(wěn)健性和自鎖抗擾度。針對電壓小于75V的應(yīng)用，IR推出了專利智慧化功率IC，它們能夠處理的電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于採用尖端BCD製程製造的類比混合訊號IC。針對電壓範(fàn)圍為100V至1，200V的應(yīng)用，也推出了眾多具備業(yè)界領(lǐng)先的負(fù)瞬態(tài)電壓尖峰安全作業(yè)區(qū)（NTSOA）的高壓結(jié)隔離驅(qū)動IC產(chǎn)品，如圖4所示。世界一流的驅(qū)動IC的故障模式是，經(jīng)常會因為以很高的電流和電感負(fù)載執(zhí)行半橋開關(guān)時產(chǎn)生的高負(fù)電壓尖峰而產(chǎn)生栓鎖現(xiàn)象。IR公司推出的車用驅(qū)動IC，不僅堅固耐用，而且具備自鎖防護(hù)功能，這使它們成為驅(qū)動電流密度很高的大型IGBT的理想之選。

　　圖4：IR公司的車用閘極驅(qū)動，由于採用專有的製程和設(shè)計，因此更加穩(wěn)健耐用。這些製程特性和設(shè)計可確保產(chǎn)生高負(fù)電壓尖峰的大型IGBT的絕對栓鎖控制。

　　圖1概述了本文內(nèi)容，體現(xiàn)了硅功率管理平臺的5大要素。該平臺有助于克服目前汽車動力總成電氣化所面臨的一些最緊迫的問題。