汽车应用MOSFET的技术趋势

作者：飞兆半导体 Alain Laprade, Peter Blumenroether

欢迎访问e展厅 展厅 2 汽车电子展厅 车灯, 遥控发射器, 汽车娱乐系统, TPMS胎压监测, 汽车防盗器, ... 汽车应用MOSFET 半导体制造商在金属氧化物半导体（MOS）技术领域取得了重大进步，并继续积极发展。先进的功率MOS技术通常是新型和改良型汽车系统的促成因素，然而，在开发新的硅和封装技术过程中，必须谨记汽车系统的特别要求。 如今，汽车设备中所用的MOSFET器件涉及广泛的电压、电流和导通电阻范围。电机控制设备桥接配置会使用30V和40V击穿电压型号；而在必须控制负载突卸和突升启动情况的场合，会使用60V装置驱动负载；当行业标准转移至42V电池系统时，则需采用75V技术。高辅助电压的设备需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件则应用于发动机驱动器机组和高亮度放电(HID)前灯的控制电路。 驱动电流的范围由2A至100A以上，导通电阻的范围为2m? 至100m?。MOSFET的负载包括电机、阀门、灯、加热部件、电容性压电组件和DC/DC电源。开关频率的范围通常为10kHz至100kHz，必须注意的是，电机控制不适用开关频率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，结点温度极限下(-40oC至175oC，有时高达200oC) 的工作状况，以及超越汽车使用寿命的高可靠性。 MOSFET技术的发展历程 过去，新MOSFET技术的驱动力量是计算机DC/DC同步转换器等应用，为了优化其中的电源系统性能和成本，必需进行高频率运作。随着新的硅技术的开发，更小尺寸和更低特定导通电阻器件的设计得以实现，全面满足这些要求。技术的改进使得器件的跨导更高，具有更低的门电荷和更快的开关速度。现今行业的状况是特为DC/DC转换而优化的开关速度和减少安全工作区域 (SOA) 技术，将不适合汽车电机应用。 平面技术具有固有的宽SOA和坚固的雪崩能量额定特性，它是串联通道功率控制器件的适合技术。然而，降低成本的压力引发人们开展新的半导体设计活动，目标是开发可降低特定导通电阻以沟道技术为基础的MOSFET器件。 为了控制系统EMI (电磁干扰) 和电机绕组损耗，电机驱动器设计人员尝试减慢MOSFET的开关速度，这与通常在高频DC/DC转换器中的做法完全相反。采用沟道技术的高跨导器件因其固有特性的缘故，开关速度难以减慢，因而不适合在需要并联器件的场合使用。与裸片尺寸相同的平面技术器件相比，沟道器件的SOA也较小，故并不适用于线性稳压器设备。未来的沟道技术将向两个不同方向发展，分别满足低频/线性模式电机驱动器和高频DC/DC转换器的要求。 与同等的N-沟道器件相比，P-沟道器件具有较高的特定导通电阻，在采用高边组件控制负载的场合，P-沟道器件更易于控制。在成本敏感的低功率设备中(车窗和视镜电机控制、电子嗽叭、内部照明装置)，使用P沟道器虽然会增加裸片尺寸和成本，但是其简化控制电路的优势却逐渐使其成为最合适的折衷方案。 MOSFET工艺 在汽车设备中，常常需要探知负载状态，并将任何故障问题向微处理器报告。由于功率MOSFET正通过负载控制电流，因此它处于提供诊断信息的最佳位置。除了监视负载状况外，还需要保护MOSFET和负载在发生故障时免遭破坏。 对于具有各种诊断功能的完全自保护单片器件，便需要采用智能功率技术。为了集成所需功能，必须在通常为7-8掩模层的功率技术基础上，增加多个掩模步骤，结果造成器件的成本过高。 另一个做法是采用功率MOS技术作为基础，就能比较容易地集成各项功能，包括输入静电释放(ESD)保护、电流感应、过流限制、温度感应、有源箝位及串联门电阻器。对于这些额外的功能，只需少量的掩模步骤和附加裸片面积即可实现。而这些参数的控制和评估，最好采用特别适合这类用途的IC技术。 封装的影响 在采用现代化沟道技术的低导通电阻器件中，封装电阻占器件总体电阻的40%以上。所以，不仅需要优化硅产品参数，还要优化封装参数。采用无线凸起连接 (wireless bumped connection) 技术，封装rDS(on) 可以降至0.1m? 以下。另一个重要参数是MOSFET结点至外壳的热阻，目前，TO263封装的大型芯片的最小值是0.4oK/W，但仍有改进的空间。而预计低成本封装技术即将出现，可将此数值减少一半。 展望未来 30V MOSFET的特定导通电阻 (RDSon /每单位面积) 正以每年约20%的比率下降。随着硅技术和封装技术的改进，RDSon小于1 m?的低成本、小尺寸和高效的MOSFET器件即将出现。这些器件能降低汽车普遍使用的集成启动器/发动机和电子动力方向盘等设备的成本，最终，它们将有助于进一步减少热散发和提升汽车的燃料效能。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/27/2005)