混合動(dòng)力電動(dòng)車設(shè)計(jì)中大功率器件的應(yīng)用

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　　盡管標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的汽車可以相對輕松地從12V電池供電和相應(yīng)的12V/14V交流發(fā)電機(jī)獲取車載系統(tǒng)的電氣需求，但由于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車采用了幾個(gè)系統(tǒng)，它們需要更高的功率級(jí)別。對于輕混、全混、插電式混合動(dòng)力汽車或純電動(dòng)汽車而言，耗能最多的組件是電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置。該裝置需要在沒有內(nèi)燃機(jī)支持的情況下，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分電能條件下，為數(shù)十千瓦至上百千瓦的大功率電機(jī)供電，大電流路徑需要實(shí)現(xiàn)更高的電壓(范圍為600V至1200V)。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)的引入，使汽車行業(yè)開始采用兩個(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)電機(jī)的DC-AC逆變器，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)都采用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，因此需要配備優(yōu)化半導(dǎo)體器件和高級(jí)封裝的十分復(fù)雜的高效電子裝置。專注功率管理的國際整流器(IR)公司因此認(rèn)為這種半導(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1200V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)的所有安全和保護(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，包括傳導(dǎo)或傳遞噪聲/電磁干擾、過壓尖峰和對汽車敏感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：

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　　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：在電壓范圍為600V至1200V條件下，要想高效地開關(guān)幾百安培的大電流，需要采用這種類型的功率開關(guān)。相對于MOSFET而言，世界一流的溝槽型IGBT在這些高壓條件下能效更高。這些器件在極高的電流密度條件下，具備極低的導(dǎo)通電阻。如果采用標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合封裝，其性能將會(huì)極大地受到這種傳統(tǒng)裝配技術(shù)的限制。因此IR公司采用專利的可焊正面金屬工藝，使IGBT能夠被焊接在兩側(cè)，從而徹底避免在換流器或轉(zhuǎn)換器模塊中使用引線鍵合。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“鍵合引線脫落”這種典型的故障模式，無引線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。采用這種技術(shù)的模塊廠商可使用更小的器件——相對于一流的引線鍵合裝配解決方案，可在更高溫度條件下運(yùn)行，并能夠承受更寬的溫度變化。圖2顯示的是高級(jí)無引線鍵合裝配的應(yīng)力測試典型結(jié)果。

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　　圖2：采用基于專利陶瓷的定制封裝的引線鍵合IGBT，與無引線鍵合雙面焊接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)豎條代表一種被測器件。

　　除提高穩(wěn)健性外，采用前面可焊金屬的器件還能改善其他問題，包括寄生電感、產(chǎn)生噪聲的振鈴以及大電流開關(guān)帶來的電磁干擾等。通過實(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公司的無引線鍵合器件相對于任何標(biāo)準(zhǔn)的引線鍵合或塑料封裝器件，具備更出色的開關(guān)性能。例如，圖3為IR公司的專利DirectFET封裝與引線鍵合塑料封裝器件的快速開關(guān)性能比較。

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　　圖3：IR公司的專有無引線鍵合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公司針對汽車行業(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引線鍵合的芯片級(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)械可靠性和魯棒性——原因是避免了引線鍵合，還能實(shí)現(xiàn)芯片雙面散熱。如果一面有引線鍵合是無法實(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塊。

　　3. 快速開關(guān)器件也是混合動(dòng)力電動(dòng)汽車應(yīng)用一個(gè)十分重要的需求。盡管電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器的典型開關(guān)頻率為6 kHz 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范圍(100kHz至200kHz)，以提高降壓/升壓轉(zhuǎn)換器效率，并縮小這些系統(tǒng)中的無源組件(電感器/電容器)的尺寸。不幸的是，基于其雙極器件物理特征，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，需采用特殊的MOSFET、CoolMOS或超結(jié)(Super Junction)器件。不過，這些器件都有缺點(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，需要采用IR公司的專有WARP speed IGBT。相比典型的高壓超結(jié)器件而言，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)重要部件。硬開關(guān)產(chǎn)品常常需要MOSFET通過進(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)逐漸損壞柵極氧化層。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)柵極氧化層斷裂。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，這些器件應(yīng)用于電機(jī)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)合無引線鍵合Direct封裝，這些器件可設(shè)立開關(guān)性能標(biāo)桿，同時(shí)確保出眾的硅片穩(wěn)健性。

　　5.驅(qū)動(dòng)功率器件的穩(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?fù)浣Y(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柵極驅(qū)動(dòng)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推出了專利智能化功率IC，它們能夠處理的電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于采用尖端BCD工藝制造的模擬混合信號(hào)IC。針對電壓范圍為100V 至1200V的應(yīng)用，也推出了眾多具備業(yè)界領(lǐng)先的負(fù)瞬態(tài)電壓尖峰安全操作區(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)電壓尖峰而發(fā)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。為滿足高柵極驅(qū)動(dòng)電流需求，還推出了具備高達(dá)10A的驅(qū)動(dòng)電流能力的專有緩沖器IC。

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　　圖4：IR公司的車用柵極驅(qū)動(dòng)，由于采用專有的工藝和設(shè)計(jì)，因此更加穩(wěn)健耐用。這些工藝特性和設(shè)計(jì)可確保生成高負(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(tái)的5大要素。該平臺(tái)有助于克服當(dāng)今汽車動(dòng)力總成電氣化所面臨的一些最緊迫的問題。