安森美半導(dǎo)體針對混合電動汽車/電動汽車的功能電子化方案

　　日益嚴(yán)格的能效及環(huán)保法規(guī)推動汽車功能電子化趨勢的不斷增強(qiáng)和混合電動汽車/電動汽車(HEV/EV)的日漸普及，這加大了對高能效和高性能的電源和功率半導(dǎo)體器件的需求。安森美半導(dǎo)體作為汽車功能電子化的領(lǐng)袖之一和全球第二大功率分立器件和模塊半導(dǎo)體供應(yīng)商，提供廣泛的高能效和高可靠性的系統(tǒng)方案，并采用新型的寬禁帶材料如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等進(jìn)行新產(chǎn)品開發(fā)，用于汽車功能電子化和HEV/EV應(yīng)用。
　　HEV/EV重點(diǎn)應(yīng)用及方案概覽
　　HEV/EV的重點(diǎn)應(yīng)用有：車載充電器、電池管理、牽引逆變器、輔助逆變器、48 V皮帶啟動發(fā)電機(jī)(BSG)和DC-DC轉(zhuǎn)換器。
　　典型的HEV/EV高壓應(yīng)用框圖如圖1所示。交流電源通過車載充電器輸出直流電源，由電池管理系統(tǒng)給高壓電池充電，同時，高壓電池為主逆變器、輔助高壓逆變器及高壓PTC加熱器提供電源，除了以上高壓負(fù)載以外，HEV/EV汽車還有很多低壓負(fù)載，需要高壓轉(zhuǎn)低壓 (HV-LV) 的DC-DC提供電源。

　　圖1：典型的HEV/EV高壓應(yīng)用框圖

　　對于車載充電器，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊、超級結(jié)MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模塊作為PFC升壓開關(guān)及DC-DC全橋，同時采用整流器作為輸入輸出整流橋及PFC升壓應(yīng)用。對于主逆變器，可采用IGBT裸片、SiC MOSFET裸片、分立器件及模塊。對于HV-LV DC-DC，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊、超級結(jié)MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模塊作為全橋，及采用整流器作為輸出整流橋。對于輔助逆變器，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊。對于高壓PTC加熱器，可采用溝槽和平面IGBT分立器件。對于48 V BSG，可采用中壓MOSFET模塊。
　　汽車IGBT分立器件
　　安森美半導(dǎo)體的IGBT技術(shù)處于行業(yè)領(lǐng)先地位，已從最早的穿通型(PT)、非穿通型(NPT)發(fā)展到了現(xiàn)在的場截止(FS)平面及溝槽工藝。FS IGBT的特性及性能為：低導(dǎo)通和開關(guān)損耗；正溫度系數(shù)便于并聯(lián)運(yùn)行；最大結(jié)溫 : Tj=175degC；緊密的參數(shù)分布；大的安全工作區(qū)域(SOA)。目前安森美半導(dǎo)體的第三代場截止(FSIII)工藝的產(chǎn)品性能已接近行業(yè)頂尖水平，并將于2018年開始研發(fā)FSIV工藝。
　　安森美半導(dǎo)體目前提供的汽車級分立IGBT的電壓范圍主要是600 V至650 V、電流范圍從20 A至160 A，同時提供D2PAK、TO247等多種封裝選擇。

　　表1：安森美半導(dǎo)體用于HEV的分立IGBT陣容

　　除了傳統(tǒng)的 分立器件和模塊，安森美半導(dǎo)體同時提供汽車級裸片，目前公司已量產(chǎn)的IGBT和快恢復(fù)二極管(FRD)裸片主要是650 V產(chǎn)品，電流包含160 A、200 A和300 A，同時積極研發(fā)750 V和1200 V IGBT和FRD裸片。
　　安森美半導(dǎo)體提供集成電流檢測及溫度檢測的IGBT裸片。電流檢測功能通過測量一個并聯(lián)的小IGBT的電流，然后乘以一個已知的比例因子來實(shí)現(xiàn)，適用于過流、芯片組算法來提高整個溫度范圍內(nèi)的電流檢測精度。溫度檢測功能通過測量一串多晶硅二極管的正向電壓VF來實(shí)現(xiàn)，VF與溫度線性相關(guān)，用作硅結(jié)的精確的溫度傳感器。
　　汽車高壓整流器
　　根據(jù)不同的應(yīng)用，整流器可選擇更低導(dǎo)通損耗或更低開關(guān)損耗的產(chǎn)品，各類產(chǎn)品的主要特點(diǎn)及應(yīng)用如圖2所示。

　　圖2：整流器的技術(shù)定位

　　安森美半導(dǎo)體量產(chǎn)的汽車級高壓整流器包括600 V、1000 V和1200 V的產(chǎn)品，電流從4 A至80 A，提供DPAK、TO220和TO247等多種封裝選擇。

　　表2：安森美半導(dǎo)體汽車級高壓整流器陣容

　　牽引逆變器功率模塊
　　安森美半導(dǎo)體創(chuàng)新了雙面散熱汽車高壓功率模塊，用于牽引逆變器，采用雙面可焊接工藝晶圓集成電流及溫度檢測功能，結(jié)合緊湊的布局，從而實(shí)現(xiàn)同類產(chǎn)品最佳的熱性能及電氣性能：降低約40% 熱阻，雜散電感低至7 nH。其模塊化的結(jié)構(gòu)增加功率密度，減小尺寸、重量及成本，實(shí)現(xiàn)緊湊的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過最佳的溝槽場截止IGBT配合軟恢復(fù)二極管以提供最佳性能。超低寄生效應(yīng)的單個裸片實(shí)現(xiàn)簡化的門極驅(qū)動器，額外的表面使其它電子器件如總線電容實(shí)現(xiàn)無源散熱，精密的傳感器用于高速及準(zhǔn)確的系統(tǒng)診斷。
　　該系列模塊提供650 V和1200 V電壓選擇，額定電流400 A至1000 A，滿足廣泛的功率等級，最多可擴(kuò)展至6套，用于包括升壓轉(zhuǎn)換器的完整混合逆變器動力傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)最低的系統(tǒng)成本。
　　其模塊化及通用設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水平及垂直裝配。對于水平安裝，電源腳支持螺釘、焊接或焊錫連接，提供多種引腳彎曲選項(xiàng)，信號引腳支持press fit選項(xiàng)。對于垂直安裝，提出超緊湊的3D概念，最適用于混合電動汽車及插電混合電動汽車(HEV & PHEV)，集成逆變器、發(fā)電機(jī)及DC-DC升壓器到單個液體冷卻系統(tǒng)。
　　汽車超級結(jié)(SJ) MOSFET
　　SJ MOSFET是利用電荷平衡技術(shù)實(shí)現(xiàn)出色的低導(dǎo)通電阻和低柵極電荷性能、從而最小化導(dǎo)通損耗并提供出色的開關(guān)性能的新型MOSFET。圖3所示為650 V SJ MOSFET技術(shù)演進(jìn)。

　　圖3：650 V SJ MOSFET技術(shù)演進(jìn)

　　SJ MOSFET各版本對比如下：
　　快速版本通過最大限度地降低Crss來實(shí)現(xiàn)，主要特性包括： 高能效、硬開關(guān)拓?fù)?、減小Qg和Eoss，主要應(yīng)用于升壓PFC、全橋、雙向Buck-Boost、半無橋PFC。
　　易驅(qū)動版本通過內(nèi)置Rg實(shí)現(xiàn)，具有低門極震蕩、低EMI和電壓尖峰、易驅(qū)動、控制更低的Coss、硬/軟開關(guān)拓?fù)涞忍匦裕饕獞?yīng)用于升壓PFC、半無橋PFC、相移DC-DC。
　　快恢復(fù)版本主要通過載流子壽命控制來實(shí)現(xiàn)，主要特性有：快速體二極管、小的Qrr 和Trr、強(qiáng)固的二極管、更好的可靠性、軟諧振開關(guān)，主要應(yīng)用于LLC、LCC、雙有源橋式DC-DC等拓?fù)洹?br />　　相同封裝的情況下，SuperFET III比SuperFET II的Rds (on)減小近50%，提供更高的功率密度，適用于高功率車載充電系統(tǒng)，且更少的并聯(lián)MOSFET需要更少的空間，從而使得并聯(lián)器件的布局串?dāng)_更小。
　　安森美半導(dǎo)體已量產(chǎn)的汽車SJ MOSFET和裸片陣容如表3所示。

　　表3：安森美半導(dǎo)體的SJ MOSFET和裸片陣容

　　寬禁帶(WBG)
　　寬禁帶半導(dǎo)體材料被稱為第三代半導(dǎo)體材料，以SiC和GaN為代表，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大等特性，提供卓越的開關(guān)性能、溫度穩(wěn)定性和低電磁干擾（EMI）。以SiC為例，具有比硅(Si)高10倍的介電擊穿強(qiáng)度、高2倍的電子飽和速度、高3倍的能量帶隙、高3倍的熱導(dǎo)率，其更高的開關(guān)頻率支持更小的磁性和被動元件，降低整體系統(tǒng)的尺寸和成本，采用SiC比采用Si的牽引逆變器或車載充電器減少了系統(tǒng)的重量，需要較少的冷卻和提供更高的能效，從而增加每次充電的續(xù)航英里。而GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度，其高電子遷移率意味著更出色的開關(guān)性能，而低損耗加上高結(jié)溫特性，可降低散熱量，高開關(guān)頻率可減少濾波器和無源器件的使用，最終減小系統(tǒng)尺寸和重量，提升功率密度。
　　安森美半導(dǎo)體是唯一能同時提供GaN和SiC器件的供應(yīng)商，并以此積極開發(fā)更多不同的器件以滿足HEV/EV汽車各類應(yīng)用的需求。
　　汽車高壓輔助智能功率模塊（IPM）
　　汽車高壓輔助IPM的目標(biāo)應(yīng)用是純電動汽車、插電混合動力汽車、重度混合動力汽車、中度混合動力汽車、燃料電池汽車中的所有輔助IPM，包括高壓冷卻風(fēng)扇、渦輪增壓器、空調(diào)壓縮機(jī)、高壓電動水泵/油泵/燃油泵等。
　　汽車高壓IPM模塊基于出色的DBC基板，具有超低熱阻，確保Tj=175℃，提供同類最佳的溫度循環(huán)試驗(yàn)及電源可靠性，實(shí)現(xiàn)超長使用壽命，具備出色的強(qiáng)固性，即使在最壞的情況下，耐短路時間超過5 us，采用高度集成緊湊的封裝，集成6個功率器件/HVIC/DBC/全面的保護(hù)等，短設(shè)計(jì)周期及裝配流程實(shí)現(xiàn)IPM完全優(yōu)化以提供穩(wěn)定的EMI 及熱性能。
　　安森美半導(dǎo)體目前正積極開發(fā)應(yīng)用于汽車電動空調(diào)壓縮機(jī)、汽車風(fēng)扇、超級充電器、油泵/水泵的ASPM27系列V2  和ASPM34系列。
　　汽車功率模塊
　　安森美半導(dǎo)體具備領(lǐng)先的封裝技術(shù)、半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、制造能力及快速響應(yīng)能力，提供功率從0.8 kW到20 kW、電壓從12 V至470 V的汽車功率模塊用于電動助力轉(zhuǎn)向、制動及加速防滑系統(tǒng)(ARS)、空調(diào)壓縮機(jī)、超級充電器、皮帶/集成的起動發(fā)電機(jī)、DC-DC轉(zhuǎn)換器、電池開關(guān)、車載充電器等應(yīng)用，并根據(jù)客戶需求定制不同的封裝設(shè)計(jì)和方案和提供快速響應(yīng)。
　　安森美半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)的APM19和APM17汽車模塊陣容如表4所示。

　　表4：安森美半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)的APM19和APM17汽車模塊陣容
　　總結(jié)
　　作為汽車功能電子化的領(lǐng)袖之一和全球第二大功率分立器件和模塊半導(dǎo)體供應(yīng)商，安森美半導(dǎo)體擁有同類最佳的IGBT、MOSFET、WBG技術(shù)，和創(chuàng)新及高效的功率模塊封裝，提供用于汽車功能電子化廣泛的高能效、高可靠性的汽車電源半導(dǎo)體，并可根據(jù)客戶需求提供定制方案，通過世界一流的供應(yīng)鏈，配合汽車功能電子化趨勢和滿足不同應(yīng)用需求。