新兴功能性功率方案助力汽车动力传动系统制造商

上网时间: 2007年10月01日? 作者:Gary Wagner,Alex Craig,飞兆半导体公司? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:汽车传动系统? 动力传动系统? 功率半导体?

当今用于汽车传动系统(powertrain)和引擎控制的功率半导体通常具有一定的信号处理能力和智能化功能,这是因为其能量吸收方式特别,在其它功率电路设计中少见。为了便于系统集成和测试,这类器件会靠近或位于引擎或变速器上,因此会带来热管理方面的问题。功率与信号处理功能的隔离以及封装技术对于传动系统的可靠性和性能至关重要。通过利用最先进的功率半导体、高性能的BiCMOS控制技术和各种功率封装技术开发功率更高、能耗更低的复杂功能性功率产品,可以应对汽车应用的挑战。

汽车半导体环境

汽车传动系统中使用的功率半导体必须能承受恶劣的工作环境,包括物理环境和电气环境。由于引擎和变速器之类的系统出厂时必须通过完整的测试,电子控制单元(ECU)必须安装在这些系统之上或附近,因此,这些功率半导体承受的环境温度可能高达150℃。

对于半导体器件来说,最大结温是个关键因素,因为截止电压、栅极阈值电压,以及其他关键特性都受制于这个参数。大多数故障都源于器件温度超过最大结温。加上汽车功率半导体特殊的能量吸收方式,在其它动力设计中非常少见,因此,必须了解功率半导体的受热极限及热管理的各种细节考虑,才能确保所产品能持续满足汽车应用的可靠性要求。

汽车半导体的电气环境也与大多数功率系统大不相同。与其它瞬态电气环境不同(当中最大的冲击来自外部影响),对汽车电子来说,最严重的瞬时波动源自于负荷轻重跳变或启动过压状况,也可能来自于继电器和电磁阀的开关动作,以及保险跳闸。

我们必须确保电路能在这种恶劣的瞬时波动环境下可靠地工作,汽车电源的大瞬态波动可以是交流电机/稳压系统产生的严重大能量波动,以至于由点火系统和各种附属部件产生的低电位“噪声”。

功能性功率解决方案

多功能功率单芯片技术正朝着小尺寸和集成更多功能的方向发展,在满足各种功率应用所需的功率和模拟特性方面已接近极限。此时基于多裸片实现的功能性功率解决方案的多个优点如下:

  • 对于给定面积的开关功率损耗最低
  • 采用最新的功率分立技术
  • 改进了功率与传感模拟部件之间的隔离
  • 采用一个控制芯片及双T功率分立器件来提高设计的模块化程度
  • 可将各种类型的分立功率技术与高性能模拟控制构件结合起来
  • 进一步优化了开关功能的导通电阻或开关损耗
  • 功能性功率器件首先是一个功率器件。通常,较之于其它IC器件,它的数据处理能力很有限。因此,应当从功率的角度来处理功能性功率器件。对功率器件来说,首要的问题是其电压承受能力、电流承受能力和热性能。必须尽可能的消除器件中的热损耗,才能使结温保持在安全线以下,保证器件不会因局部过热而损坏。

    对于主要处理功率(即带有限信号处理能力)的器件来说,通常只有功率处理部分在工作。有一种架构,通过在单片功率 MOSFET裸片上实现简单的漏极至源极电压反馈信号,以及栅极驱动保护功能。这种电路架构经常用在汽车喷油器和电磁阀驱动电路中。例如飞兆半导体的FDSS2407,是62V、132mΩ、逻辑电平为5V并采用SO-8封装的栅极双MOSFET。该器件集成一个逻辑电平为5V的漏极至源极电压反馈信号。在应用中,可将多个这样的器件按或方式连接到监视电路输入端。使用这种栅极保护功就可单独关断FDSS2407,不必依赖于栅极上的驱动信号。这样就有了第二个控制电路,可在必要时断开负载。也可用一个的集电极开路输出/漏极控制晶体管来控制按或方式连接的多个器件。

    集成功率器件

    功能性功率系统需要同时处理功率和控制单元。在某些情况下,控制单元处理功能还很复杂,因此,更经济的方法是,对于器件的智能功能部分应采用针对控制单元而优化的一种半导体工艺,而对器件的功率部分则采用另一种完全不同的半导体工艺,即针对功率处理而优化的工艺。为了达到这双重目标,可将功率和控制功能分别放在不同的封装中,但分开封装所占电路板的空间将增加很多。

    为了减小电子器件尺寸,需要将独立及优化的半导体工艺集成在单一较小的封装中。这些更紧凑的器件还必须提供功率处理、裸片间的互连、功率和控制单元连接,以及物理结构的支撑和工作环境保护功能。飞兆半导体的FDMS2380就是具有这种集成能力的器件。该器件是专门用于驱动电感性负载的双列智能低压侧驱动器,内置重复循环和去磁电路。其输入与 CMOS兼容,而器件上的诊断输出指示负载开路和去磁模式。内置的过流、过压和过热电路能够保护器件,即在出现过流或过热时会自动切换到电感性负载的续流模式。

    采用多芯片的功能性功率技术能够很好地隔离功率和控制半导体部分。两部分间的热影响也会被有效抑制。这样产品更加可靠和稳定,尤其适合于恶劣的电气环境。采用多芯片的智能功率技术,可在占位空间(板卡尺寸)允许的前提下使用效率最高的功率半导体来实现智能化功率管理功能。可以采用导通电阻(RDS(ON))最小的MOSFET将功率损耗降至最小。

    封装技术

    封装已不仅仅是承载芯片和芯片与板卡间接口的元件,而成为了解决汽车电子应用环境中各种问题的强大工具。选择恰当的封装技术来封装功能性功率器件,可将功率和控制半导体部分集成在一起,同时又能很好地将它们隔离。这种隔离可使产品性能更加稳定和可靠。

    采用封装技术可以实现各种功率解决方案,既可将各种优化的半导体工艺集成在单一小巧的封装件中,同时又达到汽车电子所要求的电气性能、热性能和环境性能。除无引脚QFN封装外,也可采用其它封装方式来封装多裸片。多年来,绝缘栅双极晶体管(IGBT)和二极管一直采用标准的分立封装技术,如TO-247、TO-263和TO-220。功能性功率器件一般都需要标准三个以上的引脚来与周围的电路连接。

    采用其它封装技术(包括独特的模块)也可实现功率和控制半导体部分的集成。将这两部分集成后,产品的性能会更好,实施保护更容易,而可靠性更高。飞兆推出的一种针对电动助力转向(EPS)应用设计的智能功率模块(IPM),包括如下几个部分:

  • 功率器件——带有快速恢复二极管或Qmosfet的IGBT
  • 驱动IC——高压驱动IC (HVIC) 和低压驱动IC
  • 封装——采用陶瓷基板或DBC技术的转移模塑
  • 传统的助力转向系统采用放大的方式来减少转动方向盘所需的力度。这种方法采用了液压转向助力泵。采用放大率固定的助力转向有些主要缺点。如果系统的助力转向是为了减小车辆静止时转动车轮所需的力量而设计,那么在车速较大时,方向盘就会太轻。传统的助力转向系统都有液压泵,并与引擎以机械方式连接,而且不停运行。这意味着即使汽车在直线行驶也需要消耗能量。

    采用全电动助力转向(EPS)液压泵就能让引擎摆脱这个恒定负荷。EPS系统直接将电机安装在齿条齿轮转向机构或转向柱(小汽车)上。这些电机由集成在上述IPM模块中的低导通电阻(RDS(ON))功率MOSFET来有效地控制。这种系统从引擎吸取的能量较少,因此能效更高、油耗更小。除节能外,这种系统的价格也比传统液压助力转向系统便宜5~10美元。全EPS系统的重量也比传统液压助力转向系统轻,因此能进一步提高燃油效率。

    大多数汽车电子多少都包含定制的内容,因此,系统厂商始终要承受上市时间的压力,必须缩短开发周期。传统“智能功率”单片技术的制备工艺复杂,因而会降低新器件的速度和灵活性,这是因为开发单片器件需要以相同的制备工艺提供功率和信号处理功能,导致重复设计的成本高,而且时间长。采用多裸片智能功率技术便可并行开发功率和信号部分,这样就能加快新产品的开发,并针对某一定制应用而优化。通常只会针对驱动电路(而不是功率电路)来优化IC工艺;IC部分因此可能维持原状,但功率处理需求方面则经常变化。采用最新一代功率技术来处理功率部分,能够延长系统的寿命。

    为了降低功耗,需要使用低RDS(ON)的产品。较低RDS(ON)意味着给定电流条件下开关两端的压降小。测量方法中引入的任何噪声都将影响测量的精度。减少噪声和精确探测负载情况是汽车电子模块设计中的重点考虑因素。多裸片智能功率器件可更精确地测量低压降和低电流。采用多裸片智能功率技术,能够很好地隔离功率和控制半导体部分,从而使产品更加可靠和坚固,这在恶劣的电气环境下尤其重要。

    用于汽车动力传动系统的半导体必须能在最恶劣的物理和电气环境下工作,且要采用大批量生产。产品还须提供低功耗、高灵活性,以及能够处理小信号和大功率。解决方案必须具有高成本效益,通过将创新的封装技术和面向特定应用(如功率或信号处理)的不同半导体工艺结合起来,就可实现成本更低、效率更高、可靠性更强的动力传动系统。


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