汽車應(yīng)用MOSFET

半導(dǎo)體制造商在金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）技術(shù)領(lǐng)域取得了重大進(jìn)步，并繼續(xù)積極發(fā)展。先進(jìn)的功率MOS技術(shù)通常是新型和改良型汽車系統(tǒng)的促成因素，然而，在開發(fā)新的硅和封裝技術(shù)過程中，必須謹(jǐn)記汽車系統(tǒng)的特別要求。

如今，汽車設(shè)備中所用的MOSFET器件涉及廣泛的電壓、電流和導(dǎo)通電阻范圍。電機(jī)控制設(shè)備橋接配置會(huì)使用30V和40V擊穿電壓型號(hào)；而在必須控制負(fù)載突卸和突升啟動(dòng)情況的場(chǎng)合，會(huì)使用60V裝置驅(qū)動(dòng)負(fù)載；當(dāng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)移至42V電池系統(tǒng)時(shí)，則需采用75V技術(shù)。高輔助電壓的設(shè)備需要使用100V至150V型款；至于400V以上的MOSFET器件則應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器機(jī)組和高亮度放電(HID)前燈的控制電路。

驅(qū)動(dòng)電流的范圍由2A至100A以上，導(dǎo)通電阻的范圍為2m? 至100m?。MOSFET的負(fù)載包括電機(jī)、閥門、燈、加熱部件、電容性壓電組件和DC/DC電源。開關(guān)頻率的范圍通常為10kHz至100kHz，必須注意的是，電機(jī)控制不適用開關(guān)頻率在20kHz以上。其它的主要需求是UIS性能，結(jié)點(diǎn)溫度極限下(-40oC至175oC，有時(shí)高達(dá)200oC) 的工作狀況，以及超越汽車使用壽命的高可靠性。

MOSFET技術(shù)的發(fā)展歷程

過去，新MOSFET技術(shù)的驅(qū)動(dòng)力量是計(jì)算機(jī)DC/DC同步轉(zhuǎn)換器等應(yīng)用，為了優(yōu)化其中的電源系統(tǒng)性能和成本，必需進(jìn)行高頻率運(yùn)作。隨著新的硅技術(shù)的開發(fā)，更小尺寸和更低特定導(dǎo)通電阻器件的設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)，全面滿足這些要求。技術(shù)的改進(jìn)使得器件的跨導(dǎo)更高，具有更低的門電荷和更快的開關(guān)速度。現(xiàn)今行業(yè)的狀況是特為DC/DC轉(zhuǎn)換而優(yōu)化的開關(guān)速度和減少安全工作區(qū)域 (SOA) 技術(shù)，將不適合汽車電機(jī)應(yīng)用。

平面技術(shù)具有固有的寬SOA和堅(jiān)固的雪崩能量額定特性，它是串聯(lián)通道功率控制器件的適合技術(shù)。然而，降低成本的壓力引發(fā)人們開展新的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)活動(dòng)，目標(biāo)是開發(fā)可降低特定導(dǎo)通電阻以溝道技術(shù)為基礎(chǔ)的MOSFET器件。

為了控制系統(tǒng)EMI (電磁干擾) 和電機(jī)繞組損耗，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)人員嘗試減慢MOSFET的開關(guān)速度，這與通常在高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器中的做法完全相反。采用溝道技術(shù)的高跨導(dǎo)器件因其固有特性的緣故，開關(guān)速度難以減慢，因而不適合在需要并聯(lián)器件的場(chǎng)合使用。與裸片尺寸相同的平面技術(shù)器件相比，溝道器件的SOA也較小，故并不適用于線性穩(wěn)壓器設(shè)備。未來的溝道技術(shù)將向兩個(gè)不同方向發(fā)展，分別滿足低頻/線性模式電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和高頻DC/DC轉(zhuǎn)換器的要求。

與同等的N-溝道器件相比，P-溝道器件具有較高的特定導(dǎo)通電阻，在采用高邊組件控制負(fù)載的場(chǎng)合，P-溝道器件更易于控制。在成本敏感的低功率設(shè)備中(車窗和視鏡電機(jī)控制、電子嗽叭、內(nèi)部照明裝置)，使用P溝道器雖然會(huì)增加裸片尺寸和成本，但是其簡化控制電路的優(yōu)勢(shì)卻逐漸使其成為最合適的折衷方案。

MOSFET工藝

在汽車設(shè)備中，常常需要探知負(fù)載狀態(tài)，并將任何故障問題向微處理器報(bào)告。由于功率MOSFET正通過負(fù)載控制電流，因此它處于提供診斷信息的最佳位置。除了監(jiān)視負(fù)載狀況外，還需要保護(hù)MOSFET和負(fù)載在發(fā)生故障時(shí)免遭破壞。

對(duì)于具有各種診斷功能的完全自保護(hù)單片器件，便需要采用智能功率技術(shù)。為了集成所需功能，必須在通常為7-8掩模層的功率技術(shù)基礎(chǔ)上，增加多個(gè)掩模步驟，結(jié)果造成器件的成本過高。

另一個(gè)做法是采用功率MOS技術(shù)作為基礎(chǔ)，就能比較容易地集成各項(xiàng)功能，包括輸入靜電釋放(ESD)保護(hù)、電流感應(yīng)、過流限制、溫度感應(yīng)、有源箝位及串聯(lián)門電阻器。對(duì)于這些額外的功能，只需少量的掩模步驟和附加裸片面積即可實(shí)現(xiàn)。而這些參數(shù)的控制和評(píng)估，最好采用特別適合這類用途的IC技術(shù)。

封裝的影響

在采用現(xiàn)代化溝道技術(shù)的低導(dǎo)通電阻器件中，封裝電阻占器件總體電阻的40%以上。所以，不僅需要優(yōu)化硅產(chǎn)品參數(shù)，還要優(yōu)化封裝參數(shù)。采用無線凸起連接 (wireless bumped connection) 技術(shù)，封裝rDS(on) 可以降至0.1m? 以下。另一個(gè)重要參數(shù)是MOSFET結(jié)點(diǎn)至外殼的熱阻，目前，TO263封裝的大型芯片的最小值是0.4oK/W，但仍有改進(jìn)的空間。而預(yù)計(jì)低成本封裝技術(shù)即將出現(xiàn)，可將此數(shù)值減少一半。

展望未來

30V MOSFET的特定導(dǎo)通電阻 (RDSon /每單位面積) 正以每年約20%的比率下降。隨著硅技術(shù)和封裝技術(shù)的改進(jìn)，RDSon小于1 m?的低成本、小尺寸和高效的MOSFET器件即將出現(xiàn)。這些器件能降低汽車普遍使用的集成啟動(dòng)器/發(fā)動(dòng)機(jī)和電子動(dòng)力方向盤等設(shè)備的成本，最終，它們將有助于進(jìn)一步減少熱散發(fā)和提升汽車的燃料效能。(end)