中心論題：
- 車用功率MOSFET不斷發(fā)展壯大。
- 汽車電子功率器件的市場動態(tài)。
- 功率MOSFET的解決方案。
- 同時使用更高和更低的電壓等級實現(xiàn)系統(tǒng)性能。
- 電動助力轉(zhuǎn)向和主動式懸掛系統(tǒng)提供設計的靈活性。
- 在硅片上蝕刻垂直溝道獲得更高的單元密度和更低的導通阻抗
- 混合模塊獲得更高的功率密度。
- 感測原件保護功率器件免受損害。
過去15到20年間，汽車用功率MOSFET已從最初的技術話題發(fā)展成為蓬勃的商業(yè)領域。選用功率MOSFET是因為其能夠耐受汽車電子系統(tǒng)中常遇到的掉載和系統(tǒng)能量突變等引起的瞬態(tài)高壓現(xiàn)象。且封裝很簡單，主要采用TO220 和 TO247封裝。電動車窗、燃油噴射、間歇式雨刷和巡航控制等應用已逐漸成為大多數(shù)汽車的標配，在設計中需要類似的功率器件。在這期間，隨著電機、螺線管和燃油噴射器日益普及，車用功率MOSFET也不斷發(fā)展壯大。
今天的汽車電子系統(tǒng)已開創(chuàng)了功率器件的新時代。本文將介紹和討論幾種推動汽車電子功率器件變革的新型應用。還將探討實現(xiàn)當前汽車電子系統(tǒng)功率MOSFET的一些發(fā)展狀況。這些發(fā)展將有助于促進汽車電子行業(yè)向前，特別是在一些新興市場如中國。
市場動態(tài)
新型應用中有4大要素在推動汽車電子功率器件的演進：
•足夠的關斷電壓等級 (Bvdss)
•系統(tǒng)功率要求
•系統(tǒng)智能性/生存能力 (survivability)
• 產(chǎn)品和系統(tǒng)成本
一直以來，汽車電子應用都采用Bvdss約60V的功率器件。然而，新的系統(tǒng)同時使用更高和更低的電壓等級，以更具成本效益的方式提供前所未有的系統(tǒng)性能。
高壓電/磁電噴射系統(tǒng)和高強度照明是兩種廣為流行的應用，都需要擊穿電壓高達150V 到 300V的功率MOSFET。勢能更高的壓電和磁電燃油噴射系統(tǒng)能夠提供更準確的燃油噴射和更精細的空氣/燃油混合比例，使到燃燒更充分，有害排放得以降低，并最終提高性能。
相比普通白熾燈，高強度照明技術消耗更少的能量卻能夠產(chǎn)生更大的照明強度。這樣不僅可以提高駕駛?cè)藛T在夜晚或惡劣天氣條件下的能見度，同時也便于其它駕駛?cè)藛T看到自己的車輛。
許多歷來是機械或液壓式的車載系統(tǒng)正在向電動或電動/液壓混合系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。首當其沖的是散熱器風扇。采用電動電機后，可以去掉風扇皮帶，風扇可利用現(xiàn)有引擎或根據(jù)冷卻劑溫度來進行更精確的控制。其它類似應用還有電動助力轉(zhuǎn)向 (EPS)、集成式啟動器交流發(fā)電機 (ISA) 和主動式懸掛系統(tǒng)。電動助力轉(zhuǎn)向和主動式懸掛系統(tǒng)為車載系統(tǒng)設計人員提供了相當大的靈活性，讓他們可以在多個車輛平臺上使用硬件系統(tǒng)，并通過軟件修改來改變車輛從輕便到豪華型的感覺。
這些電動/機械系統(tǒng)的特征之一是使用的功率等級極高，因此需要大電流功率開關。為了能夠以盡量小的損耗提供最高的電流轉(zhuǎn)換，這些應用一般采用額定電壓30V 到 40V的高性能溝道型MOSFET (Trench MOSFET)。
功率MOSFET解決方案
MOSFET的采用已成為當前大部分車載應用的標準。傳統(tǒng)的平面型MOSFET建立在硅晶圓表面之上，而溝道型MOSFET是在硅上蝕刻垂直溝道，從而讓功率開關得以擁有更高的單元密度和更低的導通阻抗。由于這些電子機械系統(tǒng)大多數(shù)都采用了MOSFET H橋式電機驅(qū)動結(jié)構(gòu)，兩個器件總是串聯(lián)以便使用更低電壓的MOSFET，同時仍然可以耐受常見的汽車高電壓沖擊現(xiàn)象。相60V MOSFET，這些擊穿電壓更低的器件能夠把開關的導通阻抗降低50%，這意味著系統(tǒng)功耗減少50%，亦即系統(tǒng)發(fā)熱減少，最終把散熱要求降至最低。
隨著車載系統(tǒng)設計人員在低電壓功率MOSFET方面累積更多的工作經(jīng)驗，并開始認識到其性能和成本優(yōu)勢，低電壓功率MOSFET的應用范圍正在向剎車和顯示屏控制等其它低功率系統(tǒng)擴展。
現(xiàn)在的功率溝道型MOSFET的導通阻抗 (RDS(ON)) 低至1或2毫歐。這雖然大大降低了系統(tǒng)功耗，但給車載系統(tǒng)設計人員帶來了其它復雜性，包括板上布線、系統(tǒng)連接以及封裝中引線在內(nèi)的寄生阻抗給系統(tǒng)帶來的額外阻抗很可能超過了實際的MOSFET (自身導通阻抗)。要進一步降低導通阻抗，獲得更高功率密度的方法之一是使用混合模塊。當前許多應用都已開始放棄傳統(tǒng)的功率封裝解決方案，改為在IMS (絕緣金屬基板) 或 DBC (直接鍵合銅) 等材料制作的絕緣基板上安裝裸片。即使在使用相同功率硅芯片的情況下，相比分立式功率封裝，這些模塊提供的能量和電流能力都更高。模塊能夠提供更高密度的裸片鍵合或更大的裸片引線鍵合，可減小互連阻抗，同時又把功率元件之間的距離減至最小。這種更高能量密度的代價是元件成本較分立式封裝方案高。不過，對于高能量系統(tǒng)，系統(tǒng)尺寸和性能方面的改進足以彌補器件成本增加的缺憾。
30V 到 60V范圍的低功率器件正在集成到包括串聯(lián)接口和微控制器在內(nèi)的單片式IC中。這種專用的單片IC能夠控制小型電機，甚至可能通過電機和門鎖控制整個門節(jié)點。對于更高能量的應用，單片式IC在成本或技術上都不可行，但可以采用創(chuàng)新的封裝解決方案來實現(xiàn)集成。通過把大功率MOSFET和控制集成電路整合在單個封裝中，可以構(gòu)建超高功率的智能系統(tǒng)。
圖6所示為目前車載系統(tǒng)中采用多芯片封裝的幾個實例。這些智能化器件可以提供更高的系統(tǒng)性能監(jiān)控能力，通過集成保護功能提高功率系統(tǒng)的可靠性。如過流、過壓和過熱保護等功能都是這類產(chǎn)品的標配。當器件感測到有可能發(fā)生上述異常狀況時，能夠把功率MOSFET置于自我保護整個系統(tǒng)的環(huán)境中。此外，這些器件還集成有附加診斷功能，用以監(jiān)控負載開路或短路，有助于指導汽車機械裝置隔離和糾正車輛中出現(xiàn)的問題。
過去，選擇60V 還是 55V往往是最大的設計問題之一，而經(jīng)過數(shù)年的發(fā)展，如今汽車內(nèi)部的功率器件和設計考慮事項在廣度方面已取得了長足的進步。隨著電子系統(tǒng)針對娛樂、儀表板、動力傳動控制、安全性、車廂和穩(wěn)定性控制以至車身及便利性控制等不斷發(fā)展，一般汽車中的功率器件數(shù)目已是數(shù)以百計，并且正在急劇增加之中。選擇正確的器件現(xiàn)已成為一項艱巨的挑戰(zhàn)，需面對許多不同的技術選項，以達致所需的性能和成本目標。
