??? 在過去15到20年里，汽車功率MOSFET已從最初的技術(shù)話題發(fā)展成為一項(xiàng)動態(tài)化的業(yè)務(wù)。功率MOSFET之所以被選擇，是因?yàn)槠淠軌蚰褪芷囯娮酉到y(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現(xiàn)象。而且其封裝簡單，主要采用TO220和TO247封裝。
??? 電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標(biāo)配，在設(shè)計(jì)中需要類似的功率器件。在這期間，車用功率MOSFET也隨著電機(jī)、螺線管和燃油噴射器的日益普及而也不斷推廣。
??? 如今的汽車電子系統(tǒng)已開創(chuàng)了功率器件的新時代。本文將介紹和討論幾種推動汽車電子功率器件變革的新型應(yīng)用，并探討可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前汽車電子系統(tǒng)的功率MOSFET的一些發(fā)展。這些發(fā)展將有助于促進(jìn)汽車電子行業(yè)前進(jìn)，尤其是在中國等新興市場。
??? 市場動態(tài)
??? 在新型汽車應(yīng)用中，有4大要素在推動著汽車電子功率器件的演變：
???? · 足夠的關(guān)斷電壓等級(Vvdss)
???? ·?系統(tǒng)功率要求
???? ·?系統(tǒng)智能性/生存能力?
???? ·?產(chǎn)品和系統(tǒng)成本?
??? 汽車電子應(yīng)用一直都采用VVDSS約為60V的功率器件。但是，新的系統(tǒng)同時采用更高和更低的電壓等級，以更具低成本高效性的方式提供前所未有的系統(tǒng)性能。
??? 高壓電/磁電噴射系統(tǒng)和高強(qiáng)度照明是兩種廣為流行的應(yīng)用。這兩種應(yīng)用都需要耐擊穿電壓高達(dá)150V～300V的功率MOSFET。勢能更高的壓電和磁電燃油噴射系統(tǒng)能夠提供更準(zhǔn)確的燃油噴射和更精細(xì)的空氣/燃油混合比例，從而使得燃燒更充分，降低廢氣排放，并最終提高性能。
??? 高強(qiáng)度照明技術(shù)比普通白熾燈消耗更少的能量，卻能夠產(chǎn)生更大的照明強(qiáng)度，因此不僅可以提高駕駛?cè)藛T在夜晚或惡劣天氣條件下的能見度，還能便于其他駕駛?cè)藛T看到自己的車輛。
??? 除了帶更高電壓的汽車電子功率應(yīng)用，車內(nèi)消費(fèi)產(chǎn)品的快速涌現(xiàn)也對電壓范圍提出更高要求。CD/DVD播放器、衛(wèi)星無線電、手機(jī)、GPS導(dǎo)航、MP3播放器接口就是需要功率MOSFET器件的新型應(yīng)用范例，其所需的實(shí)際功率一般低于采用更小的分立或集成式元件的功率范圍。功率器件具有它們所服務(wù)的消費(fèi)產(chǎn)品的相同特征。
??? 在上述應(yīng)用中，尺寸非常重要，故往往采用PCB封裝(其占位面積更小)，或表面封裝的新型功率器件。它們普遍運(yùn)用Power?56和Super?SOT?SSOT?6等封裝方式，在很小的封裝中提供相當(dāng)高的功率處理能力。
??? 日益增加的電子系統(tǒng)
??? 許多曾是機(jī)械或液壓式的車載系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)型為電動或電動/液壓混合系統(tǒng)，其中最先轉(zhuǎn)變的是散熱器風(fēng)扇。采用電動電機(jī)后可去掉風(fēng)扇皮帶，風(fēng)扇亦可通過現(xiàn)有引擎或根據(jù)冷卻劑溫度得到更精確的控制。
??? 其他類似應(yīng)用還有電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)、集成式啟動器交流發(fā)電機(jī)(ISA)和主動式懸掛系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向和主動式懸掛系統(tǒng)為車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了相當(dāng)大的靈活性，讓他們可以在多個車輛平臺上使用硬件系統(tǒng)，并通過軟件修改來改變車輛從輕便到豪華型的感覺。
??? 這些電動/機(jī)械系統(tǒng)的特征之一是使用的功率等級極高。這些高能系統(tǒng)需要大電流功率開關(guān)。這些應(yīng)用一般采用額定電壓30V～40V的高性能溝道型MOSFET(Trench?MOSFET)，來以盡量小的損耗提供最高的電流轉(zhuǎn)換。
??? 溝道型MOSFET已成為當(dāng)前大部分車載應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)器件。在以前，平面型MOSFET構(gòu)建于硅晶圓表面之上，而溝道型MOSFET是在硅片上蝕刻垂直溝道，所以讓功率開關(guān)能擁有更高的單元密度和更低的導(dǎo)通阻抗。
??? 由于這些電機(jī)系統(tǒng)大多采用了MOSFET?H橋式電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，兩個器件總是串聯(lián)以便使用電壓更低的MOSFET，并耐受常見的汽車高電壓沖擊現(xiàn)象。相比60V?MOSFET，這些擊穿電壓更低的器件能夠把開關(guān)的導(dǎo)通阻抗降低50%。這將使得系統(tǒng)功耗減少50%，從而減少系統(tǒng)發(fā)熱，把散熱要求降至最低。
??? 隨著車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員累積了更多有關(guān)低電壓功率MOSFET的經(jīng)驗(yàn)，并開始認(rèn)識到其性能和成本優(yōu)勢，低電壓功率MOSFET的應(yīng)用范圍正在向剎車和顯示屏控制等其他低功率系統(tǒng)擴(kuò)展。
??? 如今的功率溝道型MOSFET擁有低至1或2mΩ的導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))。這大大降低了系統(tǒng)功耗，卻給車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了其他復(fù)雜性。板上布線、系統(tǒng)連接甚至封裝中的引線等寄生阻抗，都給系統(tǒng)帶來可能超過了實(shí)際MOSFET自身導(dǎo)通阻抗的額外阻抗。
??? 混合模塊
??? 要進(jìn)一步降低導(dǎo)通阻抗并獲得更高功率密度，有一個方法是使用混合模塊。當(dāng)前許多應(yīng)用都已開始放棄傳統(tǒng)的功率封裝解決方案，改為在IMS(絕緣金屬基板)或DBC(直接鍵合銅)?等材料制作的絕緣基板上安裝裸片。相比分立式功率封裝，即使在使用相同功率硅芯片的情況下，這些模塊提供的能量和電流能力更高。
??? 模塊可以提供更高密度的裸片鍵合或更大的裸片引線鍵合，從而減小互連阻抗，并把功率元件之間的距離減至最小。這種更高能量密度帶來的是元件成本較分立式封裝方案高。不過，對于高能量系統(tǒng)，系統(tǒng)尺寸和性能方面的改進(jìn)足以彌補(bǔ)器件成本的增加。?
????汽車電子MOSFET發(fā)展的另一個方向是感測、控制和保護(hù)功率開關(guān)性能的提高。功率器件正集成到車載系統(tǒng)的智能中。在最低功率級別，MOSFET如今可以與功率器件上的感測元件一起使用。這些感測元件能夠測量電流或溫度，連接到電子設(shè)備上從而監(jiān)控系統(tǒng)性能，并在出現(xiàn)過流或過熱情況時保護(hù)功率器件免受損害。
??? 30V～60V范圍的更低功率器件正被集成到串聯(lián)接口和微控制器等單片式IC中。這種專用的單片IC能夠控制小型電機(jī)，或通過電機(jī)和門鎖控制整個門節(jié)點(diǎn)。對于單片式IC在成本或技術(shù)上都不可行的更高能應(yīng)用，可以采用創(chuàng)新型封裝來實(shí)現(xiàn)集成。通過把大功率MOSFET和控制集成電路整合在單個封裝中，可以構(gòu)建超高功率的智能系統(tǒng)。
??? 這些智能化器件可以提供更高的系統(tǒng)性能監(jiān)控能力，通過集成保護(hù)功能提高功率系統(tǒng)的可靠性。它們都具有過流、過壓和過熱保護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)配置型功能。當(dāng)器件感測到有可能發(fā)生上述異常狀況時，能夠把功率MOSFET置于整個系統(tǒng)自我保護(hù)的環(huán)境中。此外，這些器件還可集成診斷功能，來監(jiān)控負(fù)載開路或短路，有助于指導(dǎo)汽車機(jī)械裝置隔離和糾正車輛中出現(xiàn)的問題。
??? 這些所有應(yīng)用背后的最后一個或許也是最重要的一個推動力量，以及眾多此類技術(shù)可用的原因所在，就是產(chǎn)品和系統(tǒng)成本。在汽車業(yè)務(wù)中，有不變的推動力一直在降低產(chǎn)品和系統(tǒng)的成本。其不僅推動元件成本的降低，也推動車輛擁有成本的降低。
??? 本文還將可靠性納入成本的推動力之一。一個可能導(dǎo)致線路故障或現(xiàn)場故障的低成本功率器件并不能算真正的低成本器件。在選擇汽車所采用的元件時，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須把成本和可靠性作為主要的推動因素。
??? 本文中討論的產(chǎn)品都是特別為汽車應(yīng)用和系統(tǒng)而專門設(shè)計(jì)，足以用于汽車終端應(yīng)用。汽車市場已創(chuàng)建了幾個針對功率和智能功率器件的產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，如AECQ100和AECQ101標(biāo)準(zhǔn)。面向汽車市場開發(fā)和供應(yīng)的產(chǎn)品必須經(jīng)設(shè)計(jì)和特性化，以滿足這些嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保終端系統(tǒng)的性能能夠滿足設(shè)計(jì)人員，更重要的是滿足車主對產(chǎn)品價值的期望。
??? 本文小結(jié)
??? 經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，如今汽車內(nèi)部的功率器件和設(shè)計(jì)考慮在廣度方面已取得了長足的進(jìn)步,而在過去只需要考慮選擇60V還是55V的器件。隨著用于娛樂、儀表板、動力傳動控制、安全性、車廂和穩(wěn)定性控制、車身及便利性控制等應(yīng)用的電子系統(tǒng)的不斷普及，汽車中的功率器件數(shù)目已達(dá)到數(shù)百種，而且數(shù)量還在急劇增加。如今，選擇正確的器件已成為一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，但我們卻擁有可以實(shí)現(xiàn)所需性能和成本目標(biāo)的眾多不同選擇。
??? 電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應(yīng)用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標(biāo)配，在設(shè)計(jì)中需要類似的功率器件。在這期間，車用功率MOSFET也隨著電機(jī)、螺線管和燃油噴射器的日益普及而也不斷推廣。
??? 如今的汽車電子系統(tǒng)已開創(chuàng)了功率器件的新時代。本文將介紹和討論幾種推動汽車電子功率器件變革的新型應(yīng)用，并探討可實(shí)現(xiàn)當(dāng)前汽車電子系統(tǒng)的功率MOSFET的一些發(fā)展。這些發(fā)展將有助于促進(jìn)汽車電子行業(yè)前進(jìn)，尤其是在中國等新興市場。
??? 市場動態(tài)
??? 在新型汽車應(yīng)用中，有4大要素在推動著汽車電子功率器件的演變：
???? · 足夠的關(guān)斷電壓等級(Vvdss)
???? ·?系統(tǒng)功率要求
???? ·?系統(tǒng)智能性/生存能力?
???? ·?產(chǎn)品和系統(tǒng)成本?
??? 汽車電子應(yīng)用一直都采用VVDSS約為60V的功率器件。但是，新的系統(tǒng)同時采用更高和更低的電壓等級，以更具低成本高效性的方式提供前所未有的系統(tǒng)性能。
??? 高壓電/磁電噴射系統(tǒng)和高強(qiáng)度照明是兩種廣為流行的應(yīng)用。這兩種應(yīng)用都需要耐擊穿電壓高達(dá)150V～300V的功率MOSFET。勢能更高的壓電和磁電燃油噴射系統(tǒng)能夠提供更準(zhǔn)確的燃油噴射和更精細(xì)的空氣/燃油混合比例，從而使得燃燒更充分，降低廢氣排放，并最終提高性能。
??? 高強(qiáng)度照明技術(shù)比普通白熾燈消耗更少的能量，卻能夠產(chǎn)生更大的照明強(qiáng)度，因此不僅可以提高駕駛?cè)藛T在夜晚或惡劣天氣條件下的能見度，還能便于其他駕駛?cè)藛T看到自己的車輛。
??? 除了帶更高電壓的汽車電子功率應(yīng)用，車內(nèi)消費(fèi)產(chǎn)品的快速涌現(xiàn)也對電壓范圍提出更高要求。CD/DVD播放器、衛(wèi)星無線電、手機(jī)、GPS導(dǎo)航、MP3播放器接口就是需要功率MOSFET器件的新型應(yīng)用范例，其所需的實(shí)際功率一般低于采用更小的分立或集成式元件的功率范圍。功率器件具有它們所服務(wù)的消費(fèi)產(chǎn)品的相同特征。
??? 在上述應(yīng)用中，尺寸非常重要，故往往采用PCB封裝(其占位面積更小)，或表面封裝的新型功率器件。它們普遍運(yùn)用Power?56和Super?SOT?SSOT?6等封裝方式，在很小的封裝中提供相當(dāng)高的功率處理能力。
??? 日益增加的電子系統(tǒng)
??? 許多曾是機(jī)械或液壓式的車載系統(tǒng)正在轉(zhuǎn)型為電動或電動/液壓混合系統(tǒng)，其中最先轉(zhuǎn)變的是散熱器風(fēng)扇。采用電動電機(jī)后可去掉風(fēng)扇皮帶，風(fēng)扇亦可通過現(xiàn)有引擎或根據(jù)冷卻劑溫度得到更精確的控制。
??? 其他類似應(yīng)用還有電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)、集成式啟動器交流發(fā)電機(jī)(ISA)和主動式懸掛系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向和主動式懸掛系統(tǒng)為車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了相當(dāng)大的靈活性，讓他們可以在多個車輛平臺上使用硬件系統(tǒng)，并通過軟件修改來改變車輛從輕便到豪華型的感覺。
??? 這些電動/機(jī)械系統(tǒng)的特征之一是使用的功率等級極高。這些高能系統(tǒng)需要大電流功率開關(guān)。這些應(yīng)用一般采用額定電壓30V～40V的高性能溝道型MOSFET(Trench?MOSFET)，來以盡量小的損耗提供最高的電流轉(zhuǎn)換。
??? 溝道型MOSFET已成為當(dāng)前大部分車載應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)器件。在以前，平面型MOSFET構(gòu)建于硅晶圓表面之上，而溝道型MOSFET是在硅片上蝕刻垂直溝道，所以讓功率開關(guān)能擁有更高的單元密度和更低的導(dǎo)通阻抗。
??? 由于這些電機(jī)系統(tǒng)大多采用了MOSFET?H橋式電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，兩個器件總是串聯(lián)以便使用電壓更低的MOSFET，并耐受常見的汽車高電壓沖擊現(xiàn)象。相比60V?MOSFET，這些擊穿電壓更低的器件能夠把開關(guān)的導(dǎo)通阻抗降低50%。這將使得系統(tǒng)功耗減少50%，從而減少系統(tǒng)發(fā)熱，把散熱要求降至最低。
??? 隨著車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員累積了更多有關(guān)低電壓功率MOSFET的經(jīng)驗(yàn)，并開始認(rèn)識到其性能和成本優(yōu)勢，低電壓功率MOSFET的應(yīng)用范圍正在向剎車和顯示屏控制等其他低功率系統(tǒng)擴(kuò)展。
??? 如今的功率溝道型MOSFET擁有低至1或2mΩ的導(dǎo)通阻抗(RDS(ON))。這大大降低了系統(tǒng)功耗，卻給車載系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了其他復(fù)雜性。板上布線、系統(tǒng)連接甚至封裝中的引線等寄生阻抗，都給系統(tǒng)帶來可能超過了實(shí)際MOSFET自身導(dǎo)通阻抗的額外阻抗。
??? 混合模塊
??? 要進(jìn)一步降低導(dǎo)通阻抗并獲得更高功率密度，有一個方法是使用混合模塊。當(dāng)前許多應(yīng)用都已開始放棄傳統(tǒng)的功率封裝解決方案，改為在IMS(絕緣金屬基板)或DBC(直接鍵合銅)?等材料制作的絕緣基板上安裝裸片。相比分立式功率封裝，即使在使用相同功率硅芯片的情況下，這些模塊提供的能量和電流能力更高。
??? 模塊可以提供更高密度的裸片鍵合或更大的裸片引線鍵合，從而減小互連阻抗，并把功率元件之間的距離減至最小。這種更高能量密度帶來的是元件成本較分立式封裝方案高。不過，對于高能量系統(tǒng)，系統(tǒng)尺寸和性能方面的改進(jìn)足以彌補(bǔ)器件成本的增加。?
????汽車電子MOSFET發(fā)展的另一個方向是感測、控制和保護(hù)功率開關(guān)性能的提高。功率器件正集成到車載系統(tǒng)的智能中。在最低功率級別，MOSFET如今可以與功率器件上的感測元件一起使用。這些感測元件能夠測量電流或溫度，連接到電子設(shè)備上從而監(jiān)控系統(tǒng)性能，并在出現(xiàn)過流或過熱情況時保護(hù)功率器件免受損害。
??? 30V～60V范圍的更低功率器件正被集成到串聯(lián)接口和微控制器等單片式IC中。這種專用的單片IC能夠控制小型電機(jī)，或通過電機(jī)和門鎖控制整個門節(jié)點(diǎn)。對于單片式IC在成本或技術(shù)上都不可行的更高能應(yīng)用，可以采用創(chuàng)新型封裝來實(shí)現(xiàn)集成。通過把大功率MOSFET和控制集成電路整合在單個封裝中，可以構(gòu)建超高功率的智能系統(tǒng)。
??? 這些智能化器件可以提供更高的系統(tǒng)性能監(jiān)控能力，通過集成保護(hù)功能提高功率系統(tǒng)的可靠性。它們都具有過流、過壓和過熱保護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)配置型功能。當(dāng)器件感測到有可能發(fā)生上述異常狀況時，能夠把功率MOSFET置于整個系統(tǒng)自我保護(hù)的環(huán)境中。此外，這些器件還可集成診斷功能，來監(jiān)控負(fù)載開路或短路，有助于指導(dǎo)汽車機(jī)械裝置隔離和糾正車輛中出現(xiàn)的問題。
??? 這些所有應(yīng)用背后的最后一個或許也是最重要的一個推動力量，以及眾多此類技術(shù)可用的原因所在，就是產(chǎn)品和系統(tǒng)成本。在汽車業(yè)務(wù)中，有不變的推動力一直在降低產(chǎn)品和系統(tǒng)的成本。其不僅推動元件成本的降低，也推動車輛擁有成本的降低。
??? 本文還將可靠性納入成本的推動力之一。一個可能導(dǎo)致線路故障或現(xiàn)場故障的低成本功率器件并不能算真正的低成本器件。在選擇汽車所采用的元件時，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須把成本和可靠性作為主要的推動因素。
??? 本文中討論的產(chǎn)品都是特別為汽車應(yīng)用和系統(tǒng)而專門設(shè)計(jì)，足以用于汽車終端應(yīng)用。汽車市場已創(chuàng)建了幾個針對功率和智能功率器件的產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，如AECQ100和AECQ101標(biāo)準(zhǔn)。面向汽車市場開發(fā)和供應(yīng)的產(chǎn)品必須經(jīng)設(shè)計(jì)和特性化，以滿足這些嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)的要求，確保終端系統(tǒng)的性能能夠滿足設(shè)計(jì)人員，更重要的是滿足車主對產(chǎn)品價值的期望。
??? 本文小結(jié)
??? 經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，如今汽車內(nèi)部的功率器件和設(shè)計(jì)考慮在廣度方面已取得了長足的進(jìn)步,而在過去只需要考慮選擇60V還是55V的器件。隨著用于娛樂、儀表板、動力傳動控制、安全性、車廂和穩(wěn)定性控制、車身及便利性控制等應(yīng)用的電子系統(tǒng)的不斷普及，汽車中的功率器件數(shù)目已達(dá)到數(shù)百種，而且數(shù)量還在急劇增加。如今，選擇正確的器件已成為一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，但我們卻擁有可以實(shí)現(xiàn)所需性能和成本目標(biāo)的眾多不同選擇。
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