節(jié)能汽車之“無線”功率開關(guān)

近年來，節(jié)能成為全新汽車技術(shù)和趨勢的熱門話題?；仡欉^去20年，汽車的電子化主要由駕駛者對更舒適和更豪華的設(shè)備，例如電動車窗、電動天窗和敞篷車蓋、高級音響器材、電動座椅、空調(diào)或電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等的渴求所推動，這些設(shè)備全都增加了汽車對半導體及電子零件的需求?，F(xiàn)在，電子化汽車設(shè)計的首要目標已經(jīng)有所不同。雖然豪華設(shè)備和更好的駕駛功能對汽車來說仍然重要，但現(xiàn)在以至可見的未來，當代汽車所采用的大部分電子系統(tǒng)，也是以減少排放、提高燃料效率，并且降低車內(nèi)系統(tǒng)的電力消耗為推動力。

達到這個目標的最好方法，便是使用更有效率，也更智能的電子系統(tǒng)去替代汽車的機械及液壓系統(tǒng)。典型的例子有以電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)替代液壓或者電動液壓系統(tǒng)；電力電機驅(qū)動替代連續(xù)運行的皮帶驅(qū)動系統(tǒng)，就像空調(diào)壓縮器、渦輪充電器，或其它的泵和風扇。即使是一些照明應(yīng)用，如能夠節(jié)能的“高強度氣體放電燈”(HID)或LED燈，也用來代替欠缺效率的傳統(tǒng)燈泡。最終，內(nèi)燃引擎亦將會由具效率的電動電機所取代，就像我們現(xiàn)在于混合動力和電動汽車的動力系統(tǒng)所看到的一樣。

汽車電子化也使國際整流器公司(IR)這些半導體供應(yīng)商以開發(fā)高效率的電源管理解決方案為己任，從而盡量提高這些應(yīng)用的能源效益。IR先進的電源管理解決方案結(jié)合了非常先進的硅技術(shù)及革命性的新封裝技術(shù)，能夠同時改善汽車系統(tǒng)的性能和耐用性。特別是在封裝方面，我們?yōu)橄到y(tǒng)設(shè)計師帶來創(chuàng)新解決方案，以及設(shè)計ECU、電機驅(qū)動和電源的新方法。

現(xiàn)今的硅技術(shù)實現(xiàn)了非常好的開關(guān)，例如最新的溝道MOSFET和IGBT。不過，相關(guān)的封裝技術(shù)經(jīng)常利用十分保守的焊接方法把硅芯片裝貼到基片或鉛框架，并且以鍵合線連接其表面。早在2002年，IR已經(jīng)開始發(fā)展新的連接界面，希望通過簡單的封裝，就能把我們最好的硅技術(shù)連接到電力電路，還把電流和熱流的界面減到最少。最終的成果是，我們開發(fā)出免除鍵合線的DirectFET技術(shù)。這種技術(shù)的實現(xiàn)有賴于硅開關(guān)的正面金屬可焊，以便使由簡單金屬外殼包圍的MOSFET可直接焊接到印刷電路板。圖1和圖2所展示的概念主要是設(shè)計簡單、盡量減少物料和界面，最特別的是無需再用鍵合線去達到最好的電力和溫度性能。此外，這個概念也能夠提高汽車系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性，因為它消除了汽車功率周期中的主導失效模式：也就是所謂的鍵合線脫離。

 

圖1：DirectFET焊接在PCB上。

 

圖2：DirectFET的橫切面：硅芯片的溫度和電力接口盡量縮小尺寸，同時電力和溫度性能也遠遠超出采用鍵合線的標準封裝。

直接封裝概念非常適合同時要求卓越性能、質(zhì)量、耐用性和長久可靠性的汽車應(yīng)用。與此同時，IR優(yōu)化了DirectFET概念，結(jié)果造就了我們在今年初推出、全面汽車認可的DirectFET2產(chǎn)品線。有關(guān)的汽車芯片由一個小外殼包圍，讓的客戶可以為其電子控制單元和功率級引入非常創(chuàng)新的設(shè)計概念。這些DirectFET2開關(guān)能夠通過不同的方法散熱，包括從器件的上方散熱，免除了組件要通過PCB，甚至利用ECU外殼兩側(cè)進行冷卻的需要，也不用藉著在ECU設(shè)計里的其它散熱部分來降低溫度?？蛻粢蚨缮a(chǎn)專有的系統(tǒng)解決方案，從而在其它采用標準封裝零件和鍵合線的競爭對中脫穎而出。

 

圖3：汽車用DirectFET2的各種創(chuàng)新散熱方法選擇[!--empirenews.page--]

IR將其無鍵合線策略伸延到所有汽車用的功率開關(guān)。其最新一代的IGBT也具備IR專有的正面金屬可焊技術(shù)，提供完全沒有鍵合線的芯片連接，也為采用IGBT和二極管的高電壓系統(tǒng)實現(xiàn)了雙面散熱概念。據(jù)我所知，IR是首家以裸芯片搭配正面金屬可焊技術(shù)來推出商用汽車認可IGBT的公司，使擁有硅處理能力的客戶可以建立和設(shè)計它們自己的雙面散熱無鍵合線功率模塊或功率級。有了IR的正面金屬可焊器件，平常無法接觸專有硅技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計師，現(xiàn)在也可享受“無線汽車電源管理”的世界。

除了裸芯片，IR亦將提供專有的芯片載體解決方案。該方案附有正面金屬可焊IGBT，來支持那些生產(chǎn)線沒有能力處理裸芯片的客戶。最先進的高性能IGBT是以非常纖薄的晶圓制造，厚度僅為60到70微米。這些硅晶圓既薄且具彈性，就如紙張一樣，所以必須使用極為專業(yè)的程序和昂貴的器材去處理。很多第一級和第二級的系統(tǒng)供應(yīng)商都不愿意投資這種昂貴的器材，也不想經(jīng)歷需要長久學習才會熟練的纖薄芯片處理過程，更不希望要承受薄芯片處理期間非常高的良率耗損。

IR推出的這種貼在專有芯片載體上的新款汽車功率開關(guān)將會把上述顧慮一掃而空。我們將提供預(yù)先貼上IR大型芯片(IGBT及MOSFET)的標準化專有芯片載體。它們隨后會成為客戶電源模塊的一部分，比方說，我們的DirectFET2金屬外殼變成PCB電路的一部分，并且讓每一個人都可以利用最精密的IGBT和薄芯片，而不用使用薄芯片器材。IR作為硅技術(shù)專家，將負責最困難的部分，也就是把薄芯片制成基片的制造過程，還有在裸芯片和晶圓層面的開關(guān)最后測試，都會一一解決。只要利用IR的汽車用正面金屬可焊產(chǎn)品線，即使標準的安裝機械和焊接器材也將足以應(yīng)付非常先進的功率模塊或ECU概念。

對我們的客戶和系統(tǒng)設(shè)計師來說，新器件的最大好處并不單單在電力性能上的改進，更好的開關(guān)效能、經(jīng)過優(yōu)化的雙面散熱 (我們能夠增加最少50%的整體熱交換面積、減少35%的RthJC，以及提高大約25%的硅電流密度)，還有簡單的制造過程都是重要的優(yōu)點。另一個非凡的效益，將在與應(yīng)用相關(guān)的系統(tǒng)布置和應(yīng)用尺寸，以及在汽車的壽命要求層面上實現(xiàn)。當鍵合線在相對耐用的DBC模塊中或功率周期壓力中的首個失效模式中脫離，采用IR專有正面金屬可焊技術(shù)的無鍵合線IGBT將有機會將功率周期能力延展一個量級。

圖4展示了IR正在運行的功率周期測試。這個測試針是針對一個客戶的定制IGBT系統(tǒng)，將在幾個10,000溫度周期后發(fā)生的鍵合線脫離故障，與使用無鍵合線系統(tǒng)進行相同持續(xù)周期測試所得的結(jié)果作出比較，可以看到結(jié)果顯示出極大的分別。借助大幅度的可靠性延展，功率周期能效系統(tǒng)設(shè)計師便能縮小他們的功率級尺寸。

 

圖4：在專有客戶陶瓷封裝中，鍵合線IGBT與無鍵合線雙面焊接IGBT的功率周期能效比較。上面兩個圖表顯示不同的溫度壓力狀況，每一條色帶代表測試中的各個獨立器件。

為了避免在實際應(yīng)用中過早出現(xiàn)鍵合線脫離故障，設(shè)計師通常會采用昂貴的基片和散熱器方式，再加上過大尺寸的功率開關(guān)來降低每個功率周期的Delta-T溫度擺動。相較而言，一個無鍵合線系統(tǒng)的芯片尺寸可以大幅減小，同時系統(tǒng)能夠在更嚴苛的周期條件下運作更長時間。這表明，汽車中的逆變器、直流-直流轉(zhuǎn)換器和其它電源管理應(yīng)用得以通過正面金屬可焊器件顯著降低系統(tǒng)成本。設(shè)計師因而可以在性能、可靠性等多方面取得改善。

為了幫助系統(tǒng)設(shè)計師以適當?shù)目刂艻C來完成整個功率級開發(fā)工作，IR提供了多款汽車用驅(qū)動器IC選擇，可滿足先進逆變器、轉(zhuǎn)換器、電源拓撲和系統(tǒng)要求。我們專有的汽車用高/低電壓柵極驅(qū)動器擁有卓越的耐用性和閉鎖抗擾性。在低于75V的電壓范圍內(nèi)，設(shè)計可基于專有智能功率程序操控驅(qū)動器，實現(xiàn)非常大的電流開關(guān)。當電壓介于100V到1,200V之間時，IR也提供了一個極高電壓接口隔離驅(qū)動器IC系列，該系列配備市場領(lǐng)先的負瞬態(tài)電壓尖峰安全操作區(qū) (NTSOA) 。IC的失效模式，通常由于采用大電流電感負載實現(xiàn)開關(guān)半橋，因而造成大的負電壓尖峰，被稱為閉鎖效應(yīng)。這些IC都是以耐用性和閉鎖抗擾性為目標來設(shè)計，是驅(qū)動擁有極高電流密度的大型IGBT(諸如正面金屬可焊器件)的最佳選擇。如果系統(tǒng)設(shè)計師需要更大的驅(qū)動電流，也可利用器件所提供的緩沖IC來提供最大10A電流的能力。

總之，IR提供一系列的器件，讓汽車功率系統(tǒng)設(shè)計師可以為非常先進的“無線”電源管理選擇完整的芯片組，從而支持未來汽車的能源效益，即使要在最嚴苛的環(huán)境中完成最艱難的開關(guān)任務(wù)，這些器件也可應(yīng)付自如。