功率半导体器件如何满足汽车大电流应用压力阀

功率半导体器件如何满足汽车大电流应用

功率半导体器件如何满足汽车大电流应用 2011年12月10日 来源： 在新兴的汽车电子系统中，需要越来越多的电力供应，使得汽车制造商向现有的功率控制和功率转换技术提出更高的要求，推动着用于汽车的功率半导体和封装技术向前发展，其所涉及的领域也已经不只是功率MOSFET晶体管。

与通用的功率半导体器件相比，这些在汽车上使用的功率半导体器件对电压和电流、开关频率、功率损失、动态特性以及保护等方面的要求是很苛刻的。尤其是随着汽车业从14 V规范转到使用42 V规范，相应的要求就更高了。同时，在汽车上用电力进行的控制，例如用电力来制动和转向，也推动着汽车电力电子技术领域的不断变革。

处在这场变革中心的，是集成式启动器交流发电机(ISA)，这是一种完全可逆的电机。利用这种集成式启动器发电机，可以高效率地实现许多需要很大峰值功率的电子功能。首先，当汽车停下来等着交通灯从红色转成绿色时，可以把发动机关掉，这是因为，当驾驶员踩下加速器时，交流发电机可以让汽车很快地加速。这样，汽车可以减少排放有毒废气，同时节省燃油。然而，对于实现电子动力转向（EPS）、用电力进行的各种控制、主动式悬挂系统、电子透平机辅助设备、电子阀门控制、变速空调等等来讲，ISA也是极为重要的。

在技术方面，ISA的挑战主要来自于大功率电子控制部分的设计。通常这是一个三相逆变器/整流器，为42 V负载供电，当工作在整流器方式时，为36 V电池进行充电。在发动机启动时，它工作在逆变器方式，为启动器电动机供电。为了实现合适的供电设计，要弄清对适合这种用途大功率电子器件的一系列要求。图1是ISA控制器电路的一个例子。

首先，功率MOSFET晶体管通过电流的能力必须很强，这样ISA才可以满足它所承受的最大负载的要求。一般地讲，就是要求在低环境温度的情况下对内燃机进行冷启动。大多数汽车制造商认为，ISA有10 kW就足够了。对于使用42 V功率系统的10 kW系统来讲，逆变器中每只开关通过峰值电流的能力必须达到400 A的范围。值得注意的一点是，虽然启动一台热的发动机需要的电流较小，但是功率MOSFET晶体管的额定电流也会随着温度的上升而降低，因此ISA功率电路部分的温度必须相当低。另外，为了尽量提高额定电流，必须使用RDS(ON)低的MOSFET晶体管。

其次，外型比较大或者比较小的汽车在功率方面的需求是不同的，ISA功率电路也要逐一满足这些需求。

降低正向电压可以提高发电机工作效率。降低寄生电感对于减少切换时产生的电压尖脉冲也是极为重要的。由于器件封装的电感很大，许多人认为使用模块是最好的办法。但是，由于模块封装会限制通过电流的能力，有些开发人员赞成用分立元件来实现，还有些人则考虑使用先进的封装来提高通过电流的能力，同时尽量减少寄生电感。

除此之外，还有在切换过程方面的进一步要求，就是要针对所使用的开关频率（一般是数千赫兹）进行优化。ISA逆变器/整流器还需要在很高的频率和在环境温度高达150 ℃的情况下能够提供全部的功率。

最后，总成本无疑也是非常重要的。虽说自从汽车产业出现以来，一直就在提高性能，成本一直是起支配作用的因素。然而任何改进只有在费用很少或者不增加价钱的情况才会为人们所接受。

图2所示的模块是针对42 V规范的混合汽车设计。在这种汽车中，动力主要是由内燃机提供的。这个模块是一个半桥电路，其中有两个功率MOSFET晶体管芯片（每个为150 mm 2），能够在42 V的电源母线上对600 A的电流进行切换。为了降低热应力，FET晶体管安装在陶瓷基片上，同时陶瓷基片的温度系数与硅是完全匹配的。利用先进的导线压焊技术，模块能够承受汽车在这种环境中温度的变化和功率的变化。功率引线是与层状的汇流排完全匹配，目的是减少杂散电感，使杂散电感低于8 nH。为了降低电磁干扰（EMI）带来的影响，栅极驱动电路、感测电路和保护电路都装在一块很小的印刷电路板（PCB）上，而后将印刷电路板盖在模块上。栅极驱动电路能够以20 kHz的频率驱动这些FET晶体管，其中涉及的参数感测和转换也是在这块电路板上进行的。

用于电动转向系统的大功率MOSFET晶体管

关于大功率逆变器/整流器的理想电路设计和实施，争论仍在继续着，但有一点是很清楚的：42 V的ISA是将来电动转向系统（EPS）这类电动汽车系统的关键所在。然而，其通过电流的能力又受到分立MOSFET晶体管塑料封装的限制。例如，标准的三个引出脚D2Pak封装可以流过的电流在75A~100A之间，这与引脚的横截面积有关，也与供应商给出技术指标的方法有关。对于已经进入市场的电动转向系统而言，这个局限性将迫使设计人员把几个分立器件并联起来使用，或者使用模块的办法。

提高分立封装通过电流的能力，可以降低中档和低档电动转向系统的系统成本。相对芯片的尺寸而言，增大源极引脚的横截面积是解决问题的一个办法。从另一方面讲，增加标准D2Pak封装的引脚数量，可以让电流在并联的五个引脚

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