智能功率IGBT和MOSFET使汽车更加舒适和环保

时间:2019-01-16 00:15:22 来源:猇亭新闻网 作者:匿名
  

汽油发动机直喷是当前汽车汽油喷射的尖端技术。多点顺序汽油喷射将每个点火线圈安装在每个气缸的进气歧管中,使每个气缸的混合均匀分布,因此可以很好地适应减少排放,降低油耗,增加输出功率的要求。提高驾驶性能。浙江吉利汽车有限公司发动机产品林辉表示:“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,吉利和天津一汽为代表的中国品牌汽车汽油发动机直喷发动机已经实现量产。

为应对中国汽车发动机市场发展的变化,飞兆半导体亚太区总裁兼董事总经理郭玉良先生表示,在过去几年中,此类汽油发动机直喷技术中使用的IGBT数量已经增加增加了四到五倍。因为市场趋势是从一个或两个IGBT的几个线圈点燃几个气缸,并且每个气缸都有一个IGBT和一个线圈,称为线圈插头或线圈上的开关(开关线圈)。他强调:“随着IGBT被转移到线圈组件和火花塞,一些控制和诊断功能必须相应地转移。因此,对于能够控制和监控点火火花并将信息传递给发动机控制模块的智能IGBT,需求已经形成“。

智能和低损耗IGBT可提高燃油效率

用于汽车电子半导体制造商的高度集成的IGBT点火模块的主要挑战是热管理。飞兆半导体是点火IGBT的头号供应商,市场份额超过30%。郭玉良说:“由于汽车的复杂性增加,随着潜在应用或产品故障的发生,IGBT需要更具容错性或自包含性。保护功能。随着新兴应用不断增加硅的容量和功率要求,所有功率器件都会产生热量。为了减少热量产生,使用具有较低传导损耗或开关损耗的器件。“[IMG] 200662661851755.jpg [/IMG]

除了热管理,英飞凌科技(中国)有限公司汽车,工业和多元化电子营销高级营销经理李丽阳说:“发动机在燃烧过程中会振动。这些高频振动非常频繁乘客通常无法察觉,但可以察觉到任何机械或电气连接。因此,必须首先改进功率半导体器件,特别是IGBT功率模块的连接过程。他强调了汽车点火IGBT的可靠性和质量要求。 ,通常比汽车本身的寿命长。

郭玉良指出,由于传统的分立产品正在被集成模块或多芯片设备所取代,以满足减少热量和占地面积的需求,因此可以为这些集成设备提供更高密度的封装,以降低功耗。这对IGBT器件或模块设计来说是一个挑战。为此,飞兆半导体公司推出了第四代点火IGBT,称为EcoSPARK。 “该产品能够在比其他点火IGBT更小的区域内处理更多能量。芯片面积的减少与电流检测IGBT相结合,可在小尺寸TO263内提供更多控制和控制。高性能和更好的保护。“郭玉良说。

此外,飞兆半导体IGBT的其他应用包括内燃机或柴油发动机控制,以及混合动力电动汽车的高压和大电流交流电机驱动系统应用。混合动力电动车辆或氢动力车辆依靠一个电动机作为车辆的主要驱动力,因此需要具有相当大功率和非常低传导损耗的IGBT。 “飞兆半导体为混合动力汽车提供电动汽车,二极管和MOSFET,并正在开发新一代穿透沟槽IGBT,以降低功率损耗(减少发热量),以满足这种新兴电动汽车的需求。”郭玉良强调:“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。“

在降低IGBT损耗方面,英飞凌推出了FS-IGBT和TS-IGBT(沟槽栅极端接)技术。最新的TS-IGBT技术涵盖600V至1200V系列IGBT,其中沟槽栅极与场截止概念相结合,以减少由沟槽栅极附近的载流子积累引起的传导损耗。通过在晶片的背面上注入另外的n型掺杂层来制造场停止层。将该场截止层与基板晶片的增强电阻率组合将相同耐压IGBT芯片的厚度减小约1/3。李立阳说:“最终,传导损耗降低了30%,关断损耗降低了25%。采用该技术的600V IGBT3可以在175度的最高结温下提供200A电流。”根据另一家IGBT设备制造商ST的报告,他们的VIPower“智能IGBT”电子点火模块集成了IGBT的卓越性能和嵌入式诊断和保护功能,并通过多种ECU点火方法或火花塞集成到高压线路中。由汽车制造商在圈子中使用。

随着智能IGBT集成度的提高,安森美半导体首席应用工程师Klaus Reindl表示:“在IGBT芯片中集成额外电路的条件与现有元件兼容,并且不会改变其优化的IGBT结构。目前,集成了功能是温度传感和电流检测。这两种检测功能的缺点是它们需要更多的连接,不能用于高容量,高性价比的3端子电源组件。“

Reindl认为,最佳解决方案是使用优化的非智能IGBT和线性双极或LinCMOS智能预驱动器作为MCU和IGBT之间的接口,以提供驻留保护和控制功能。例如,Zetex Semiconductor的ZXTC2045E6采用SOT236封装的NPN和PNP复合晶体管制造,可提供电源中高功率MOSFET和IGBT所需的驱动能力。

v目前,配备专用点火IGBT的全发动机管理系统更加紧凑,准确,可靠。然而,飞兆半导体公司汽车应用和市场开发高级经理Jim Gillberg警告称,在点火系统从单极双极达林顿晶体管演变为每缸点火IGBT之后,设备成本问题开始出现。 “提高IGBT的成本/性能比是在相同的电气性能下减小硅的面积和封装尺寸,同时增加系统的功能并提高性能。”他说,“我们的点火IGBT控制芯片和IGBT通过称为“PQFN”的封装技术封装在一起,控制芯片与IGBT物理隔离,以避免两个器件之间的相互作用。这种新的多芯片封装技术提供了更具成本效益的A组件,可以处理高可靠性的恶劣汽车应用。“吉利发动机部长林辉表示:“汽油发动机直喷控制系统采用先进的IGBT模块,大大提高了燃油效率。”目前,博世的多点顺序汽油喷射智能点火控制模块已得到广泛应用。在中国生产的汽车中。随着汽油发动机从传统的电子控制多点燃料喷射转向多点顺序喷射,汽车点火控制的IGBT器件市场有望快速增长。 Isuppli预测汽车IGBT市场预计将以17.2%的快速增长率增长(图1),在汽车电源管理器件中排名第一,MOSFET市场增长第二。

中国正在加大混合动力(包括混合动力电动和电动混合动力汽车)的开发和营销应用。据同济大学汽车学院院长于卓平教授介绍,汽车驱动电机和电子控制技术是节能环保汽车的关键。技术。郭玉良表示,混合动力汽车需要高压大电流功率器件,这是IGBT的主要应用。因此,预计也将刺激稳定且稳步增长的IGBT市场。

导通电阻接近极限,感应MOSFET器件首次亮相

功率MOSFET器件广泛用于汽车领域。主要系统包括:起动机和发电机,灯控,音响系统,车身控制,发动机管理,防盗,机舱环境控制,动力传动系统等。飞利浦半导体电源产品部的Stefan Seider博士表示:“功率MOSFET器件通常在极端恶劣的环境条件下工作。当环境温度超过120度时,结温会急剧上升,这会导致可靠性和其他问题。这是一个在设计汽车动力系统时必须面对的挑战。“

飞利浦半导体电源产品部的Ron Fuller博士表示,为了避免这种情况,应选择符合AEC Q101标准的MOSFET器件。他说:“某些汽车的IC数量已超过100个,而MOSFET的设计旨在满足这些IC对电源的日益增长的需求,因此,如何提高能效是MOSFET应用的另一个挑战。”随着汽车电子子系统(如电动助力转向和ABS)能耗的增加,“半导体公司必须尽可能小地开发MOSFET导通电阻技术,以最大限度地降低MOSFET本身的能耗,”他指出。飞利浦的Ian Kennedy博士使用名为Trench的半导体制造工艺表示,“它可以将导通电阻降低20%至40%。”目前,除飞利浦的HPA TrenchMOS系列外,还生产了Trench。 MOSFET半导体公司包括安森美半导体,飞兆半导体和富士电机等公司。 International Rectifier采用Stripe-Trench技术设计了全系列MOSFET器件。 Vishay使用双高压TMBS Trench MOS肖特基势垒整流器来实现具有4毫欧导通电阻的功率MOSFET。意法半导体的STripFET III技术可提高MOSFET的单元密度和尺寸。在追逐导通电阻的竞争中,IR的MOSFET单元密度达到了每平方英寸1.12亿的世界最高水平,导通电阻R可达到3mΩ。相比之下,飞兆半导体公司的郭玉良说:“在汽车应用中,FDD8870的导通电阻为3.9毫欧,40V MOSFET芯片的导通电阻低至1.1毫欧。这些低导通电阻MOSFET的电阻为2.3毫欧可用于极高能量系统,如电子转向系统或集成式启动交流发动机。“

基于Trench技术的创新是众所周知的。瑞萨香港有限公司的Dennis Chan表示,在低压大电流MOSFET领域,各种制造商的设计差别不大。主要发展方向是不断开发新的制造和包装。该过程进一步降低了导通电阻,因此在器件选择方面具有高度灵活性。肯尼迪博士说:“近年来,在降低导通电阻的方向上,业界已将其降低到非常低的水平,尽管沿着高密度开发低漏源电压器件仍然很重要。沟槽技术。在汽车电子系统中,MOSFET正在向新功能发展。“郭玉良说,在汽车应用中,由系统复杂性增加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。系统监控MOSFET的温度和流过它的电流。为了提高可靠性并节省空间,飞兆半导体的Sense FET MOSFET可与控制IC结合使用,并组装在一个封装中。控制IC监控应用和MOSFET条件,以确定何时需要采取适当措施来控制应用并保护功率器件。 “我们正在开发一系列Sense FET和智能/保护器件,旨在帮助设计人员设计更复杂和可靠的汽车电子控制系统,”他补充说。

根据肯尼迪博士的说法,飞利浦的TrenchPlus器件已经通过集成温度传感器二极管,电流传感器和钳位二极管来实现“温度和电流检测,ESD保护”。此外,他强调,打开包装技术谈论MOSFET是不完整的,他说:“更小,更热效的包装是未来的趋势。”

除了为汽车电子控制应用提供各种MOSFET外,英飞凌目前在开发混合动力汽车高压MOSFET(击穿电压大于500V,低于900V)方面处于领先地位。英飞凌科技的李丽阳表示:“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五倍。”此外,为了提高EMC性能并满足高功率密度DC/DC转换器的设计需求,“英飞凌首款CoolMOS和SiC肖特基二极管相结合,可实现高压MOSFET的低开关损耗,提高驱动功率和负载性能,并设置汽车高压功率MOSFET技术的基准。“ 。

李立阳强调,功率器件在汽车应用中面临严峻的振动环境。除了上述先进的设计技术外,还应特别注意包装和设备的安装。 “优化的生产流程有助于使动力装置比汽车本身更耐用,”他强调说。 “芯片制造行业的OEM生产非常普遍,英飞凌在自己的制造工厂生产汽车动力设备。这确保了整个供应链的持续运行。“同样,飞兆半导体在苏州拥有核心功率器件制造工厂,以及几个设计和应用中心,以满足不断增长的汽车电力电子市场。可以说英雄看到了同样的东西。

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