智能功率IGBT和MOSFET让汽车更加舒适环保

汽油机缸内直喷是当前轿车汽油喷射中的前沿技术，多点顺序汽油喷射将各个点火线圈分别安装在各缸的进气歧管中，使各缸混合气分配较均匀，因此能很好地适应减少排放、降低油耗、提高输出功率及改善驾驶性能等要求。浙江吉利汽车有限公司负责发动机产品的林辉部长说：“电控喷射发动机已成为现代汽油发动机的主流。”目前，以奇瑞、吉利、天津一汽为代表的中国品牌轿车汽油机缸内直喷发动机已经实现大批量生产。

针对中国汽车发动机市场发展的变化，飞兆半导体公司亚太区总裁兼董事总经理郭裕亮先生表示，在过去几年间，这种(汽油机缸内直喷)应用的IGBT数量已增加了4至5倍，因为市场的趋势是从一个或两个IGBT作为几个汽缸的若干线圈点火，转变为每个汽缸都有一个IGBT和线圈，称为线圈式火花塞(coil on plug)或线圈上开关(switch on coil)。他强调说：“随着IGBT被移往线圈组件及火花塞中，一些控制和诊断功能也必须相应地转移。因此，对于能够控制和监控点火火花并将信息传递给引擎控制模组的智能IGBT的需求已应运而生。”

智能化和低损耗IGBT提高燃油效率

高度集成的IGBT点火模块给汽车电子半导体厂家带来的首要挑战是热管理。飞兆半导体是点火IGBT排名第一的供应商，市场占有率超过30%，郭裕亮说：“伴随着汽车复杂性增加而出现的潜在应用或产品故障，IGBT需要具有更强的容错性或自我保护功能。而随着新兴应用对硅片容量和功率的需求不断提高，所有功率器件都会产生热量，为了减少热量的产生，要采用具有较低传导损耗或开关损耗的器件。”

IGBT和MOSFET市场增长预测

除了热管理之外，英飞凌科技(中国)有限公司汽车、工业及多元化电子市场部高级市场经理李立扬说：“汽车引擎在燃烧的过程中会发生震动，这些高频震动的频率很高，乘客通常无法察觉，但是，任何机械或电气连接都能够感知到。因此，首先要改善功率半导体器件的连接工艺，特别是IGBT功率模块。”他强调，对汽车点火IGBT的可靠性和品质要求很高，通常要达到长于汽车本身的寿命。

郭裕亮指出，随着传统的分立产品正被集成式模块或多芯片器件所取代，以满足减少热量和占位面积的需求，为这些集成器件提供较高密度的封装以实现更小的功耗是IGBT器件或模块设计面临的挑战。为此，飞兆半导体提供名为EcoSPARK的第四代点火IGBT。“较之其它点火IGBT，该产品能够在更小的面积中处理更多能量。芯片面积的减少、再结合电流感测IGBT，能够在很小的TO263占位面积中提供更多的控制、更高的性能及更好的保护。”郭裕亮说道。

郭裕亮：过去几年汽油机缸内直喷应用的IGBT数量增加了4至5倍。

此外，飞兆半导体IGBT的其它应用还包括燃烧引擎或柴油引擎控制，以及混合电动汽车的高电压和大电流的交流电机驱动系统的应用设计。混合电动汽车或氢驱动汽车依靠一个电机作为车辆的主要驱动力，因而需要相当大的功率和极低传导损耗的IGBT。“飞兆半导体为HEV提供了IGBT、二极管和MOSFET，并正在开发新一代穿透型槽式IGBT，能实现更低的功率损耗(产热更少)来满足这种新兴电动汽车的应用需求，”郭裕亮强调说：“新一代IGBT将为汽车设计人员带来更低的传导损耗和开关损耗。”

在减小IGBT损耗领域，英飞凌公司先后推出了FS-IGBT和TS-IGBT(沟槽栅场终止)技术。最新的TS-IGBT技术覆盖了600V到1200V系列IGBT，在该技术中沟槽栅与场终止层(field stop)概念结合起来，减少了载子聚集在沟槽栅附近引起的导通损耗。场终止层由附加的n型掺杂层植入晶圆的背面制作而成。将这种场终止层与衬底晶圆的经增强的电阻率结合在一起，就可以把相同耐压的IGBT芯片厚度减少大约1/3。李立扬说：“最终使导通损耗减少30%，关断损耗降低25%。采用该技术的600V IGBT3可以在最大结温为175度时提供200A的电流。”

根据来自另外一家IGBT器件制造商ST的报道，他们的VIPower“智能IGBT”电子点火模块整合了IGBT的优异性能和嵌入式诊断及保护功能，已被多个采用ECU点火方法或在火花塞上集成高压线圈的汽车制造商所采用。

随着智能型IGBT集成度的提高，安森美半导体首席应用工程师Klaus Reindl说：“在IGBT芯片中集成额外电路的条件是与已有元件兼容，并且不改变其优化的IGBT结构。目前，已集成的功能有温度感测和电流检测。这两种检测功能的缺陷是需要更多的连接，且不能使用高容量、高性价比的3端电源封装。”

Reindl认为，最佳的解决方案是采用一个优化的、非智能IGBT和一个线性双极性或LinCMOS智能预驱动器，作为MCU和IGBT之间的接口来提供驻留保护和控制特性。例如，Zetex半导体公司用SOT236封装的NPN和PNP复合晶体管制成的ZXTC2045E6，就能提供电源中高功率MOSFET和IGBT所需的驱动能力。

目前，采用专用点火IGBT实现的全引擎管理系统具有更加紧凑、精确和控制可靠的特点。但是，飞兆半导体公司汽车应用和市场发展高级经理Jim Gillberg提醒说，点火系统从单一双极达林顿晶体管演化成每个汽缸使用一个点火IGBT后，器件成本问题就开始凸显出来。“改进IGBT的成本/性能比的方向是在相同电气性能的前提下，减少硅片的面积和封装体积，与此同时，增加系统的功能并改善性能。”他表示说，“我们的点火IGBT通过一种称为“PQFN”的封装技术，将控制芯片和IGBT封装在一起，控制芯片在物理上与IGBT隔离，从而避免这两个器件相互影响，这种新的多芯片封装技术提供更具成本效益的组件，能应付恶劣的汽车应用环境且可靠性高。”

吉利发动机的林辉部长说：“汽油机缸内直喷控制系统正是采用了先进的IGBT模块，才极大地提高了燃油效率。”目前，博世的多点顺序汽油喷射智能点火控制模块已经广泛用于中国生产的汽车之中。随着汽油发动机由传统的电控多点燃油喷射向多点顺序喷射的转移，用于汽车点火控制的IGBT器件市场有望高速增长。isuppli预测汽车IGBT市场有望以17.2%的年复合增长率高速发展(图1)，位居汽车电源管理器件之首，MOSFET市场增长据其次。

中国正在加大混合动力(包括油电混合与气电混合动力)车的开发和市场推广应用，据同济大学汽车学院院长余卓平教授介绍，车用驱动电机和电子控制技术是节能环保汽车的关键技术。郭裕亮表示，混合电动汽车需要高电压和大电流功率器件，这正是IGBT的主要应用。因此，也有望刺激IGBT市场持续稳定地增长。

导通电阻逼近极限，感测型MOSFET器件登场

功率MOSFET器件在汽车领域中有着广泛的应用，主要系统包括：启动机和发电机、车灯控制、音响系统、车身控制、引擎管理、防盗、车厢环境控制、动力传输系统等。飞利浦半导体公司电源产品部的Stefan Seider博士说：“功率MOSFET器件通常在极其恶劣的环境条件下工作，当环境温度超过120度的时候，结温会大幅上升，从而可能引发可靠性及其它问题，这是设计汽车电源系统中必须面对的挑战。”

飞利浦半导体公司电源产品部的Ron Fuller博士表示，为了避免这种情况的发生，应该选用符合AEC Q101标准的MOSFET器件，他说：“目前一些汽车中IC的数量已经超过100颗，MOSFET就是为了满足这些日益增多的IC对电源的需求，因此，如何提高能量利用效率是MOSFET应用中面临的另外一个挑战。”随着汽车电子子系统(如电动助力转向和ABS)能耗的增加，“半导体公司不得不开发MOSFET导通电阻尽可能小的技术，以使MOSFET本身的能耗尽可能降低。”他指出道。

采用一种称为Trench(沟槽)的半导体制造工艺，飞利浦的Ian Kennedy博士介绍介绍说，“能将导通电阻值降低20%到40%。”目前，除了飞利浦的HPA TrenchMOS系列，制造Trench MOSFET的半导体公司包括还安森美半导体、飞兆半导体和富士电机等公司。国际整流器公司则以Stripe-Trench(条形沟槽)技术设计了全系列MOSFET器件。Vishay利用双高压TMBS Trench MOS肖特基势垒整流器，实现了4毫欧导通电阻的功率MOSFET。意法半导体公司的STripFET III Technology可以增加MOSFET的单元密度并缩小尺寸。追逐导通电阻的竞争中，目前IR公司的MOSFET原胞密度号称已达每平方英寸1.12亿个的世界最高水平，通态电阻R可达3mΩ。相比而言，飞兆半导体郭裕亮说：“适用于汽车应用的MOSFET当中，FDD8870的导通阻抗为3.9毫欧，40V MOSFET裸片的导通阻抗已经低至1.1毫欧，而封装器件已经做到2.3毫欧，这些低导通阻抗MOSFET可用于极高能量系统中，如电子转向或集成启动器交流发动机等。”

基于沟槽(Trench)技术的创新可谓名目繁多，瑞萨香港有限公司的Dennis Chan表示，在低压大电流MOSFET领域，各制造商的设计差异不大，主要发展方向是持续开发新的制造和封装工艺以进一步降低导通电阻，因此器件选择上灵活性很大。Kennedy博士分析说：“近年来沿着降低导通电阻的方向，业内已经将它降低到了很低的水平，尽管仍然要沿着高密度沟槽技术创新低漏-源电压器件这个重要方向发展，在汽车电子系统中MOSFET要朝着加入新的功能方向发展。”

郭裕亮介绍说，在汽车应用中，系统复杂性增加而引起的另一个发展方向需要向电子控制提供更多的系统诊断信息，系统要监控MOSFET的温度及流经的电流大小。为了提高可靠性并节省空间，飞兆的Sense FET MOSFET可以与控制IC结合，并装配在单一封装中。控制IC能够监控应用和MOSFET的情况，以此决定何时需要采取正确行动来控制应用并保护功率器件。“我们正在开发Sense FET和智能/保护器件系列，旨在协助设计人员完成更复杂和可靠的汽车电子控制系统设计，”他补充说。

Kennedy博士表示，飞利浦采用TrenchPlus技术的器件通过集成温度传感器二极管、电流传感器以及箝位二极管，已经具备“温度和电流感应、ESD保护”的功能。此外，他强调说，瞥开封装技术去谈论MOSFET是不完整的，他说：“更小和更具有热效率的封装是未来的发展趋势。”

英飞凌除了提供汽车电子控制应用的各种MOSFET，在混合动力汽车专用高压MOSFET(击穿电压大于500V，小于900V)的发展方向上，目前占据领先地位。英飞凌科技的李立扬说：“我们的超级结技术(CoolMOS)将600V MOSFET器件的导通电阻和内部电容降低了5倍。”此外，为了提高EMC性能并满足高功率密度DC/DC转换器设计的需要，“英飞凌首创CoolMOS与SiC肖特基二极管结合，获得了高压MOSFET的低开关损耗，提高了驱动功率和负载性能，在汽车高压功率MOSFET技术领域树立了一个标杆。”他说。

李立扬强调，功率器件在汽车应用中面临严酷的振动环境，除了上述先进的设计技术，在封装和器件的安装上，也应该格外注意。“优化的生产工艺有助于让功率器件获得比汽车本身更长的生命期，”他强调说，“芯片制造领域代工生产非常普遍，英飞凌在自己拥有的制造厂生产汽车功率器件，因而能确保用户整个供应链的连续运转。”与此类似，飞兆半导体在苏州建有核心功率器件生产工厂，另外还设有多个设计和应用中心满足不断增长的汽车功率电子市场的需求，可谓英雄所见略同。

本文小结

目前，根据郭裕亮的观点，“中国汽车市场半导体部分的增长率是世界其它地区的两倍，其年复合增长率超过20%，引擎和车身控制的功率应用发展最快”，而英飞凌的专家则表示“安全和动力应用是汽车功率器件增长最快的领域”。受到这些市场需求的驱动，设计人员正寻求在传统高压(55v到60v)应用中使用低压MOSFET产品的方法，而对于低传导损耗和热耗的需求将进一步促进IGBT和MOSFET技术的发展。

作者：周智勇

特约撰稿人