分析混合動力電動車設(shè)計中大功率器件的應(yīng)用

　盡管標(biāo)準(zhǔn)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交流發(fā)電機(jī)獲取車載系統(tǒng)的電氣需求，但由于混合動力電動汽車采用了幾個系統(tǒng)，它們需要更高的功率級別。對于輕混、全混、插電式混合動力汽車或純電動汽車而言，耗能最多的組件是電機(jī)驅(qū)動裝置。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)開始采用兩個全新的功率密集型產(chǎn)品：將直流轉(zhuǎn)換成交流以驅(qū)動電機(jī)的DC-AC逆變器，以及在高壓電網(wǎng)和12V電網(wǎng)之間實現(xiàn)電能交換的DC-DC 轉(zhuǎn)換器?；旌蟿恿ζ嚾匀恍枰?2V電網(wǎng)，因為多數(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，同時滿足防失效設(shè)計的所有安全和保護(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”[!--empirenews.page--]
　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行，并能夠承受更寬的溫度變化。圖2顯示的是高級無引線鍵合裝配的應(yīng)力測試典型結(jié)果。
　　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。

　　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的另一個重要的因素。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，還能實現(xiàn)芯片雙面散熱。如果一面有引線鍵合是無法實現(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塊。[!--empirenews.page--]

3. 快速開關(guān)器件也是混合動力電動汽車應(yīng)用一個十分重要的需求。盡管電機(jī)驅(qū)動變頻器的典型開關(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，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。

　　圖4：IR公司的車用柵極驅(qū)動，由于采用專有的工藝和設(shè)計，因此更加穩(wěn)健耐用。這些工藝特性和設(shè)計可確保生成高負(fù)電壓尖峰的大型IGBT的絕對栓鎖控制。
　　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部件。硬開關(guān)產(chǎn)品常常需要MOSFET通過進(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”通常會逐漸損壞柵極氧化層。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，或者有時柵極氧化層斷裂。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，這些器件應(yīng)用于電機(jī)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，同時確保出眾的硅片穩(wěn)健性。
　　5.驅(qū)動功率器件的穩(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?fù)浣Y(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柵極驅(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)電壓尖峰而發(fā)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。為滿足高柵極驅(qū)動電流需求，還推出了具備高達(dá)10A的驅(qū)動電流能力的專有緩沖器IC。