安森美半导体针对混合电动汽车/电动汽车的功能电子化方案

　　日益严格的能效及环保法规推动汽车功能电子化趋势的不断增强和混合电动汽车/电动汽车(HEV/EV)的日渐普及，这加大了对高能效和高性能的电源和功率半导体器件的需求。安森美半导体作为汽车功能电子化的领袖之一和全球第二大功率分立器件和模块半导体供应商，提供广泛的高能效和高可靠性的系统方案，并采用新型的宽禁带材料如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等进行新产品开发，用于汽车功能电子化和HEV/EV应用。
　　HEV/EV重点应用及方案概览
　　HEV/EV的重点应用有：车载充电器、电池管理、牵引逆变器、辅助逆变器、48 V皮带启动发电机(BSG)和DC-DC转换器。
　　典型的HEV/EV高压应用框图如图1所示。交流电源通过车载充电器输出直流电源，由电池管理系统给高压电池充电，同时，高压电池为主逆变器、辅助高压逆变器及高压PTC加热器提供电源，除了以上高压负载以外，HEV/EV汽车还有很多低压负载，需要高压转低压 (HV-LV) 的DC-DC提供电源。

　　图1：典型的HEV/EV高压应用框图

　　对于车载充电器，可采用沟槽IGBT分立器件及模块、超级结MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模块作为PFC升压开关及DC-DC全桥，同时采用整流器作为输入输出整流桥及PFC升压应用。对于主逆变器，可采用IGBT裸片、SiC MOSFET裸片、分立器件及模块。对于HV-LV DC-DC，可采用沟槽IGBT分立器件及模块、超级结MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模块作为全桥，及采用整流器作为输出整流桥。对于辅助逆变器，可采用沟槽IGBT分立器件及模块。对于高压PTC加热器，可采用沟槽和平面IGBT分立器件。对于48 V BSG，可采用中压MOSFET模块。
　　汽车IGBT分立器件
　　安森美半导体的IGBT技术处于行业领先地位，已从最早的穿通型(PT)、非穿通型(NPT)发展到了现在的场截止(FS)平面及沟槽工艺。FS IGBT的特性及性能为：低导通和开关损耗；正温度系数便于并联运行；最大结温 : Tj=175degC；紧密的参数分布；大的安全工作区域(SOA)。目前安森美半导体的第三代场截止(FSIII)工艺的产品性能已接近行业顶尖水平，并将于2018年开始研发FSIV工艺。
　　安森美半导体目前提供的汽车级分立IGBT的电压范围主要是600 V至650 V、电流范围从20 A至160 A，同时提供D2PAK、TO247等多种封装选择。

　　表1：安森美半导体用于HEV的分立IGBT阵容

　　除了传统的 分立器件和模块，安森美半导体同时提供汽车级裸片，目前公司已量产的IGBT和快恢复二极管(FRD)裸片主要是650 V产品，电流包含160 A、200 A和300 A，同时积极研发750 V和1200 V IGBT和FRD裸片。
　　安森美半导体提供集成电流检测及温度检测的IGBT裸片。电流检测功能通过测量一个并联的小IGBT的电流，然后乘以一个已知的比例因子来实现，适用于过流、芯片组算法来提高整个温度范围内的电流检测精度。温度检测功能通过测量一串多晶硅二极管的正向电压VF来实现，VF与温度线性相关，用作硅结的精确的温度传感器。
　　汽车高压整流器
　　根据不同的应用，整流器可选择更低导通损耗或更低开关损耗的产品，各类产品的主要特点及应用如图2所示。

　　图2：整流器的技术定位

　　安森美半导体量产的汽车级高压整流器包括600 V、1000 V和1200 V的产品，电流从4 A至80 A，提供DPAK、TO220和TO247等多种封装选择。

　　表2：安森美半导体汽车级高压整流器阵容

　　牵引逆变器功率模块
　　安森美半导体创新了双面散热汽车高压功率模块，用于牵引逆变器，采用双面可焊接工艺晶圆集成电流及温度检测功能，结合紧凑的布局，从而实现同类产品最佳的热性能及电气性能：降低约40% 热阻，杂散电感低至7 nH。其模块化的结构增加功率密度，减小尺寸、重量及成本，实现紧凑的系统设计。通过最佳的沟槽场截止IGBT配合软恢复二极管以提供最佳性能。超低寄生效应的单个裸片实现简化的门极驱动器，额外的表面使其它电子器件如总线电容实现无源散热，精密的传感器用于高速及准确的系统诊断。
　　该系列模块提供650 V和1200 V电压选择，额定电流400 A至1000 A，满足广泛的功率等级，最多可扩展至6套，用于包括升压转换器的完整混合逆变器动力传输系统，实现最低的系统成本。
　　其模块化及通用设计实现水平及垂直装配。对于水平安装，电源脚支持螺钉、焊接或焊锡连接，提供多种引脚弯曲选项，信号引脚支持press fit选项。对于垂直安装，提出超紧凑的3D概念，最适用于混合电动汽车及插电混合电动汽车(HEV & PHEV)，集成逆变器、发电机及DC-DC升压器到单个液体冷却系统。
　　汽车超级结(SJ) MOSFET
　　SJ MOSFET是利用电荷平衡技术实现出色的低导通电阻和低栅极电荷性能、从而最小化导通损耗并提供出色的开关性能的新型MOSFET。图3所示为650 V SJ MOSFET技术演进。

　　图3：650 V SJ MOSFET技术演进

　　SJ MOSFET各版本对比如下：
　　快速版本通过最大限度地降低Crss来实现，主要特性包括： 高能效、硬开关拓扑、减小Qg和Eoss，主要应用于升压PFC、全桥、双向Buck-Boost、半无桥PFC。
　　易驱动版本通过内置Rg实现，具有低门极震荡、低EMI和电压尖峰、易驱动、控制更低的Coss、硬/软开关拓扑等特性，主要应用于升压PFC、半无桥PFC、相移DC-DC。
　　快恢复版本主要通过载流子寿命控制来实现，主要特性有：快速体二极管、小的Qrr 和Trr、强固的二极管、更好的可靠性、软谐振开关，主要应用于LLC、LCC、双有源桥式DC-DC等拓扑。
　　相同封装的情况下，SuperFET III比SuperFET II的Rds (on)减小近50%，提供更高的功率密度，适用于高功率车载充电系统，且更少的并联MOSFET需要更少的空间，从而使得并联器件的布局串扰更小。
　　安森美半导体已量产的汽车SJ MOSFET和裸片阵容如表3所示。

　　表3：安森美半导体的SJ MOSFET和裸片阵容

　　宽禁带(WBG)
　　宽禁带半导体材料被称为第三代半导体材料，以SiC和GaN为代表，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大等特性，提供卓越的开关性能、温度稳定性和低电磁干扰（EMI）。以SiC为例，具有比硅(Si)高10倍的介电击穿强度、高2倍的电子饱和速度、高3倍的能量带隙、高3倍的热导率，其更高的开关频率支持更小的磁性和被动元件，降低整体系统的尺寸和成本，采用SiC比采用Si的牵引逆变器或车载充电器减少了系统的重量，需要较少的冷却和提供更高的能效，从而增加每次充电的续航英里。而GaN具备出色的击穿能力、更高的电子密度及速度，和更高的工作温度，其高电子迁移率意味着更出色的开关性能，而低损耗加上高结温特性，可降低散热量，高开关频率可减少滤波器和无源器件的使用，最终减小系统尺寸和重量，提升功率密度。
　　安森美半导体是唯一能同时提供GaN和SiC器件的供应商，并以此积极开发更多不同的器件以满足HEV/EV汽车各类应用的需求。
　　汽车高压辅助智能功率模块（IPM）
　　汽车高压辅助IPM的目标应用是纯电动汽车、插电混合动力汽车、重度混合动力汽车、中度混合动力汽车、燃料电池汽车中的所有辅助IPM，包括高压冷却风扇、涡轮增压器、空调压缩机、高压电动水泵/油泵/燃油泵等。
　　汽车高压IPM模块基于出色的DBC基板，具有超低热阻，确保Tj=175℃，提供同类最佳的温度循环试验及电源可靠性，实现超长使用寿命，具备出色的强固性，即使在最坏的情况下，耐短路时间超过5 us，采用高度集成紧凑的封装，集成6个功率器件/HVIC/DBC/全面的保护等，短设计周期及装配流程实现IPM完全优化以提供稳定的EMI 及热性能。
　　安森美半导体目前正积极开发应用于汽车电动空调压缩机、汽车风扇、超级充电器、油泵/水泵的ASPM27系列V2  和ASPM34系列。
　　汽车功率模块
　　安森美半导体具备领先的封装技术、半导体设计、制造能力及快速响应能力，提供功率从0.8 kW到20 kW、电压从12 V至470 V的汽车功率模块用于电动助力转向、制动及加速防滑系统(ARS)、空调压缩机、超级充电器、皮带/集成的起动发电机、DC-DC转换器、电池开关、车载充电器等应用，并根据客户需求定制不同的封装设计和方案和提供快速响应。
　　安森美半导体标准的APM19和APM17汽车模块阵容如表4所示。

　　表4：安森美半导体标准的APM19和APM17汽车模块阵容
　　总结
　　作为汽车功能电子化的领袖之一和全球第二大功率分立器件和模块半导体供应商，安森美半导体拥有同类最佳的IGBT、MOSFET、WBG技术，和创新及高效的功率模块封装，提供用于汽车功能电子化广泛的高能效、高可靠性的汽车电源半导体，并可根据客户需求提供定制方案，通过世界一流的供应链，配合汽车功能电子化趋势和满足不同应用需求。