安森美半導體針對混合電動(dòng)汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)的功能電子化方案

日益嚴格的能效及環(huán)保法規推動(dòng)汽車(chē)功能電子化趨勢的不斷增強和混合電動(dòng)汽車(chē)/電動(dòng)汽車(chē)(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體器件的需求。安森美半導體作為汽車(chē)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體供應商，提供廣泛的高能效和高可靠性的系統方案，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(kāi)發(fā)，用于汽車(chē)功能電子化和HEV/EV應用。

HEV/EV的重點(diǎn)應用有：車(chē)載充電器、電池管理、牽引逆變器、輔助逆變器、48 V皮帶啟動(dòng)發(fā)電機(BSG)和DC-DC轉換器。

典型的HEV/EV高壓應用框圖如圖1所示。交流電源通過(guò)車(chē)載充電器輸出直流電源，由電池管理系統給高壓電池充電，同時(shí)，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，除了以上高壓負載以外，HEV/EV汽車(chē)還有很多低壓負載，需要高壓轉低壓 (HV-LV) 的DC-DC提供電源。

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圖1：典型的HEV/EV高壓應用框圖

對于車(chē)載充電器，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊、超級結MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模塊作為PFC升壓開(kāi)關(guān)及DC-DC全橋，同時(shí)采用整流器作為輸入輸出整流橋及PFC升壓應用。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。

安森美半導體的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)展到了現在的場(chǎng)截止(FS)平面及溝槽工藝。FS IGBT的特性及性能為：低導通和開(kāi)關(guān)損耗；正溫度系數便于并聯(lián)運行；最大結溫 : Tj=175degC；緊密的參數分布；大的安全工作區域(SOA)。目前安森美半導體的第三代場(chǎng)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(kāi)始研發(fā)FSIV工藝。

安森美半導體目前提供的汽車(chē)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(shí)提供D2PAK、TO247等多種封裝選擇。

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表1：安森美半導體用于HEV的分立IGBT陣容

除了傳統的 分立器件和模塊，安森美半導體同時(shí)提供汽車(chē)級裸片，目前公司已量產(chǎn)的IGBT和快恢復二極管(FRD)裸片主要是650 V產(chǎn)品，電流包含160 A、200 A和300 A，同時(shí)積極研發(fā)750 V和1200 V IGBT和FRD裸片。

安森美半導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(guò)測量一個(gè)并聯(lián)的小IGBT的電流，然后乘以一個(gè)已知的比例因子來(lái)實(shí)現，適用于過(guò)流、芯片組算法來(lái)提高整個(gè)溫度范圍內的電流檢測精度。溫度檢測功能通過(guò)測量一串多晶硅二極管的正向電壓VF來(lái)實(shí)現，VF與溫度線(xiàn)性相關(guān)，用作硅結的精確的溫度傳感器。

根據不同的應用，整流器可選擇更低導通損耗或更低開(kāi)關(guān)損耗的產(chǎn)品，各類(lèi)產(chǎn)品的主要特點(diǎn)及應用如圖2所示。

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圖2：整流器的技術(shù)定位

安森美半導體量產(chǎn)的汽車(chē)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。

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表2：安森美半導體汽車(chē)級高壓整流器陣容

安森美半導體創(chuàng )新了雙面散熱汽車(chē)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，結合緊湊的布局，從而實(shí)現同類(lèi)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。其模塊化的結構增加功率密度，減小尺寸、重量及成本，實(shí)現緊湊的系統設計。通過(guò)最佳的溝槽場(chǎng)截止IGBT配合軟恢復二極管以提供最佳性能。超低寄生效應的單個(gè)裸片實(shí)現簡(jiǎn)化的門(mén)極驅動(dòng)器，額外的表面使其它電子器件如總線(xiàn)電容實(shí)現無(wú)源散熱，精密的傳感器用于高速及準確的系統診斷。

該系列模塊提供650 V和1200 V電壓選擇，額定電流400A至1000 A，滿(mǎn)足廣泛的功率等級，最多可擴展至6套，用于包括升壓轉換器的完整混合逆變器動(dòng)力傳輸系統，實(shí)現最低的系統成本。

其模塊化及通用設計實(shí)現水平及垂直裝配。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，信號引腳支持press fit選項。對于垂直安裝，提出超緊湊的3D概念，最適用于混合電動(dòng)汽車(chē)及插電混合電動(dòng)汽車(chē)(HEV & PHEV)，集成逆變器、發(fā)電機及DC-DC升壓器到單個(gè)液體冷卻系統。

SJ MOSFET是利用電荷平衡技術(shù)實(shí)現出色的低導通電阻和低柵極電荷性能、從而最小化導通損耗并提供出色的開(kāi)關(guān)性能的新型MOSFET。圖3所示為650 V SJ MOSFET技術(shù)演進(jìn)。

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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(guò)最大限度地降低Crss來(lái)實(shí)現，主要特性包括： 高能效、硬開(kāi)關(guān)拓撲、減小Qg和Eoss，主要應用于升壓PFC、全橋、雙向Buck-Boost、半無(wú)橋PFC。

易驅動(dòng)版本通過(guò)內置Rg實(shí)現，具有低門(mén)極震蕩、低EMI和電壓尖峰、易驅動(dòng)、控制更低的Coss、硬/軟開(kāi)關(guān)拓撲等特性，主要應用于升壓PFC、半無(wú)橋PFC、相移DC-DC。

快恢復版本主要通過(guò)載流子壽命控制來(lái)實(shí)現，主要特性有：快速體二極管、小的Qrr 和Trr、強固的二極管、更好的可靠性、軟諧振開(kāi)關(guān)，主要應用于LLC、LCC、雙有源橋式DC-DC等拓撲。

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(chē)載充電系統，且更少的并聯(lián)MOSFET需要更少的空間，從而使得并聯(lián)器件的布局串擾更小。

安森美半導體已量產(chǎn)的汽車(chē)SJMOSFET和裸片陣容如表3所示。

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表3：安森美半導體的SJ MOSFET和裸片陣容

寬禁帶半導體材料被稱(chēng)為第三代半導體材料，以SiC和GaN為代表，具有禁帶寬度大、擊穿電場(chǎng)高、熱導率大等特性，提供卓越的開(kāi)關(guān)性能、溫度穩定性和低電磁干擾（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倍的熱導率，其更高的開(kāi)關(guān)頻率支持更小的磁性和被動(dòng)元件，降低整體系統的尺寸和成本，采用SiC比采用Si的牽引逆變器或車(chē)載充電器減少了系統的重量，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(zhù)更出色的開(kāi)關(guān)性能，而低損耗加上高結溫特性，可降低散熱量，高開(kāi)關(guān)頻率可減少濾波器和無(wú)源器件的使用，最終減小系統尺寸和重量，提升功率密度。

安森美半導體是唯一能同時(shí)提供GaN和SiC器件的供應商，并以此積極開(kāi)發(fā)更多不同的器件以滿(mǎn)足HEV/EV汽車(chē)各類(lèi)應用的需求。

汽車(chē)高壓輔助IPM的目標應用是純電動(dòng)汽車(chē)、插電混合動(dòng)力汽車(chē)、重度混合動(dòng)力汽車(chē)、中度混合動(dòng)力汽車(chē)、燃料電池汽車(chē)中的所有輔助IPM，包括高壓冷卻風(fēng)扇、渦輪增壓器、空調壓縮機、高壓電動(dòng)水泵/油泵/燃油泵等。

汽車(chē)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(lèi)最佳的溫度循環(huán)試驗及電源可靠性，實(shí)現超長(cháng)使用壽命，具備出色的強固性，即使在最壞的情況下，耐短路時(shí)間超過(guò)5 us，采用高度集成緊湊的封裝，集成6個(gè)功率器件/HVIC/DBC/全面的保護等，短設計周期及裝配流程實(shí)現IPM完全優(yōu)化以提供穩定的EMI 及熱性能。

安森美半導體目前正積極開(kāi)發(fā)應用于汽車(chē)電動(dòng)空調壓縮機、汽車(chē)風(fēng)扇、超級充電器、油泵/水泵的ASPM®27系列V2  和ASPM®34系列。

安森美半導體具備領(lǐng)先的封裝技術(shù)、半導體設計、制造能力及快速響應能力，提供功率從0.8 kW到20 kW、電壓從12 V至470 V的汽車(chē)功率模塊用于電動(dòng)助力轉向、制動(dòng)及加速防滑系統(ARS)、空調壓縮機、超級充電器、皮帶/集成的起動(dòng)發(fā)電機、DC-DC轉換器、電池開(kāi)關(guān)、車(chē)載充電器等應用，并根據客戶(hù)需求定制不同的封裝設計和方案和提供快速響應。

安森美半導體標準的APM19和APM17汽車(chē)模塊陣容如表4所示。

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表4：安森美半導體標準的APM19和APM17汽車(chē)模塊陣容

作為汽車(chē)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體供應商，安森美半導體擁有同類(lèi)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(chē)功能電子化廣泛的高能效、高可靠性的汽車(chē)電源半導體，并可根據客戶(hù)需求提供定制方案，通過(guò)世界一流的供應鏈，配合汽車(chē)功能電子化趨勢和滿(mǎn)足不同應用需求。