科普混合動(dòng)力車中大功率元件的五大要素

　　盡管內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車可以相對(duì)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(dòng)力電動(dòng)汽車採用了幾個(gè)系統(tǒng)，它們需要更高的功率等級(jí)。對(duì)于輕混、全混、插電式混合動(dòng)力汽車或純電動(dòng)汽車而言，耗能最多的組件是馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(shí)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(shí)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(gè)全新的功率密集型產(chǎn)品：將直流轉(zhuǎn)換成交流以驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)電能交換的DC-DC轉(zhuǎn)換器?；旌蟿?dòng)力汽車仍然需要12V電網(wǎng)，因?yàn)槎鄶?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(jí)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(tái)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(shí)滿足防失效設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的電磁場(chǎng)，包括傳導(dǎo)或傳遞噪音/電磁干擾、過壓尖峰和對(duì)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(gè)主要平臺(tái)元素：

　　圖1：滿足混合動(dòng)力電動(dòng)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(duì)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(huì)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(gè)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(shí)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(duì)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(jí)無接腳鍵合裝配的應(yīng)力測(cè)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(gè)豎條代表一種被測(cè)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(shí)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(shí)證明，IR公司的無接腳鍵合元件相對(duì)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(tái)的另一個(gè)重要的因素。如上文所述，IR公司針對(duì)汽車產(chǎn)業(yè)推出了十分先進(jìn)的封裝技術(shù)。將結(jié)實(shí)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(jí)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(shí)現(xiàn)晶片雙面散熱。如果一面有接腳鍵合是無法實(shí)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(jì)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(dòng)力電動(dòng)汽車應(yīng)用一個(gè)十分重要的需求。儘管馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)組件（電感器/電容器）的尺寸。不幸的是，基于其雙極元件實(shí)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(diǎn)，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(jià)比實(shí)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(dòng)力電動(dòng)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(dòng)力電動(dòng)汽車半導(dǎo)體平臺(tái)的另一個(gè)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(shí)現(xiàn)重復(fù)開關(guān)。在雪崩模式下，電壓基本上會(huì)超過擊穿電壓，高度加速的載流子在擊穿電壓水平下，會(huì)涌入MOSFET的PN結(jié)區(qū)。這些高度加速的‘熱載流子’通常會(huì)逐漸損壞閘極氧化層。經(jīng)過一段時(shí)間或重復(fù)多次出現(xiàn)雪崩事件后，MOSFET會(huì)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(shí)閘極氧化層斷裂。IR公司的專利MOSFET尤其穩(wěn)健耐用，可實(shí)現(xiàn)可靠的重復(fù)雪崩開關(guān)。事實(shí)證明，這些元件應(yīng)用于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)等電感負(fù)載的硬開關(guān)產(chǎn)品時(shí)，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(shí)確保出眾的硅晶片穩(wěn)健性。

　　5.驅(qū)動(dòng)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(jì)人員利用所需的控制IC完成整個(gè)功率級(jí)開發(fā)任務(wù)，IR公司推出了陣容強(qiáng)大的汽車用驅(qū)動(dòng)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(jí)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(dòng)IC，具備非凡的穩(wěn)健性和自鎖抗擾度。針對(duì)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(hào)IC。針對(duì)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(dòng)IC產(chǎn)品，如圖4所示。世界一流的驅(qū)動(dòng)IC的故障模式是，經(jīng)常會(huì)因?yàn)橐院芨叩碾娏骱碗姼胸?fù)載執(zhí)行半橋開關(guān)時(shí)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(dòng)IC，不僅堅(jiān)固耐用，而且具備自鎖防護(hù)功能，這使它們成為驅(qū)動(dòng)電流密度很高的大型IGBT的理想之選。