在新興的汽車電子系統中，需要越來越多的電力供應，使得汽車制造商向現有的功率控制和功率轉換技術提出更高的要求，推動著用于汽車的功率半導體和封裝技術向前發(fā)展，其所涉及的領域也已經不只是功率MOSFET晶體管。 與通用的功率半導體器件相比，這些在汽車上使用的功率半導體器件對電壓和電流、開關頻率、功率損失、動態(tài)特性以及保護等方面的要求是很苛刻的。尤其是隨著汽車業(yè)從14 V規(guī)范轉到使用42 V規(guī)范，相應的要求就更高了。同時，在汽車上用電力進行的控制，例如用電力來制動和轉向，也推動著汽車電力電子技術領域的不斷變革。 　　 處在這場變革中心的，是集成式啟動器交流發(fā)電機（ISA），這是一種完全可逆的電機。利用這種集成式啟動器發(fā)電機，可以高效率地實現許多需要很大峰值功率的電子功能。首先，當汽車停下來等著交通燈從紅色轉成綠色時，可以把發(fā)動機關掉，這是因為，當駕駛員踩下加速器時，交流發(fā)電機可以讓汽車很快地加速。這樣，汽車可以減少排放有毒廢氣，同時節(jié)省燃油。然而，對于實現電子動力轉向（EPS）、用電力進行的各種控制、主動式懸掛系統、電子透平機輔助設備、電子閥門控制、變速空調等等來講，ISA也是極為重要的。 　　 在技術方面，ISA的挑戰(zhàn)主要來自于大功率電子控制部分的設計。通常這是一個三相逆變器/整流器，為42 V負載供電，當工作在整流器方式時，為36 V電池進行充電。在發(fā)動機啟動時，它工作在逆變器方式，為啟動器電動機供電。為了實現合適的供電設計，要弄清對適合這種用途大功率電子器件的一系列要求。圖1是ISA控制器電路的一個例子。 　　 首先，功率MOSFET晶體管通過電流的能力必須很強，這樣ISA才可以滿足它所承受的最大負載的要求。一般地講，就是要求在低環(huán)境溫度的情況下對內燃機進行冷啟動。大多數汽車制造商認為，ISA有10 kW就足夠了。對于使用42 V功率系統的10 kW系統來講，逆變器中每只開關通過峰值電流的能力必須達到400 A的范圍。值得注意的一點是，雖然啟動一臺熱的發(fā)動機需要的電流較小，但是功率MOSFET晶體管的額定電流也會隨著溫度的上升而降低，因此ISA功率電路部分的溫度必須相當低。另外，為了盡量提高額定電流，必須使用RDS（ON）低的MOSFET晶體管。 　　 其次，外型比較大或者比較小的汽車在功率方面的需求是不同的，ISA功率電路也要逐一滿足這些需求。 　　 降低正向電壓可以提高發(fā)電機工作效率。降低寄生電感對于減少切換時產生的電壓尖脈沖也是極為重要的。由于器件封裝的電感很大，許多人認為使用模塊是最好的辦法。但是，由于模塊封裝會限制通過電流的能力，有些開發(fā)人員贊成用分立元件來實現，還有些人則考慮使用先進的封裝來提高通過電流的能力，同時盡量減少寄生電感。 　　 除此之外，還有在切換過程方面的進一步要求，就是要針對所使用的開關頻率（一般是數千赫茲）進行優(yōu)化。ISA逆變器/整流器還需要在很高的頻率和在環(huán)境溫度高達150 ℃的情況下能夠提供全部的功率。 　　 最后，總成本無疑也是非常重要的。雖說自從汽車產業(yè)出現以來，一直就在提高性能，成本一直是起支配作用的因素。然而任何改進只有在費用很少或者不增加價錢的情況才會為人們所接受。 模塊是針對42 V規(guī)范的混合汽車設計。在這種汽車中，動力主要是由內燃機提供的。這個模塊是一個半橋電路，其中有兩個功率MOSFET晶體管芯片（每個為150 mm 2），能夠在42 V的電源母線上對600 A的電流進行切換。為了降低熱應力，FET晶體管安裝在陶瓷基片上，同時陶瓷基片的溫度系數與硅是完全匹配的。利用先進的導線壓焊技術，模塊能夠承受汽車在這種環(huán)境中溫度的變化和功率的變化。功率引線是與層狀的匯流排完全匹配，目的是減少雜散電感，使雜散電感低于8 nH。為了降低電磁干擾（EMI）帶來的影響，柵極驅動電路、感測電路和保護電路都裝在一塊很小的印刷電路板（PCB）上，而后將印刷電路板蓋在模塊上。柵極驅動電路能夠以20 kHz的頻率驅動這些FET晶體管，其中涉及的參數感測和轉換也是在這塊電路板上進行的。 　　 于電動轉向系統的大功率MOSFET晶體管 　　 關于大功率逆變器/整流器的理想電路設計和實施，爭論仍在繼續(xù)著，但有一點是很清楚的：42 V的ISA是將來電動轉向系統（EPS）這類電動汽車系統的關鍵所在。然而，其通過電流的能力又受到分立MOSFET晶體管塑料封裝的限制。例如，標準的三個引出腳D2Pak封裝可以流過的電流在75A～100A之間，這與引腳的橫截面積有關，也與供應商給出技術指標的方法有關。對于已經進入市場的電動轉向系統而言，這個局限性將迫使設計人員把幾個分立器件并聯起來使用，或者使用模塊的辦法。 　　 提高分立封裝通過電流的能力，可以降低中檔和低檔電動轉向系統的系統成本。相對芯片的尺寸而言，增大源極引腳的橫截面積是解決問題的一個辦法。從另一方面講，增加標準D2Pak封裝的引腳數量，可以讓電流在并聯的五個引腳上流過，而不是只在一個引腳上流過。這個辦法的優(yōu)點是，降低了電路板上引腳的溫度，提高了焊點的可靠性，并且有效地把通過電流能力比標準的三引腳封裝提高一倍。而且，由于增加了這些引腳，封裝里面引線架的T型柱尺寸可以大一些，于是導線壓焊的面積也就可以大一些，這樣還有一個優(yōu)點，就是與標準的封裝相比，不包括芯片的封裝電阻可以減少一半，從而又可以減少RDS（ON）。 用于引線架技術的芯片 　　 在電動轉向系統功率逆變器中，大功率MOSFET晶體管一般是價錢最高的元件，緊接著就是封裝的其他主要元件，其中包括基片、引線架和外殼。所以，在封裝方面進行改進，尤其是在降低熱阻和電阻方面的改進，就可以使用比較小的MOSFET晶體管（RDS（ON）較大），從而降低模塊的總成本。反之，如果使用在封裝方面進行了改進的同樣尺寸MOSFET晶體管，就可以降低損耗和提高效率。 　　 大多數汽車中使用的模塊現在采用“絕緣金屬基片（IMS）”，而在陶瓷基片上“直接覆銅（DBC）”、厚膜基片或者電流較小的情況下使用印刷電路板的模塊。在功率逆變器封裝方面，對于中等功率和低功率，一個新的想法是將芯片裝在引線架上（DOL）。這時沒有單獨的基片，MOSFET晶體管是直接安裝在同一個模塑引線架上，用引線架形成連接端子，進行外部連接到模塊的外殼上。 　　 DOL不需要基片，同時不會增加外殼或者引線架的成本。一般而言，包含主要的系統控制和柵極驅動電路的印刷電路板是和它緊緊相靠的，對于系統設計來講，是一個十分經濟有效的方法。 　　 DOL模塊在電氣性能上不是絕緣的，因此不存在熱阻和電阻較大的缺點。為了盡量提高DOL模塊的性能，可以在模塊上涂滿硅酮粘合劑，用它把模塊底面固定到散熱器或底板上。這些材料傳送熱量和電氣絕緣的性能都很好，但是需要采取措施來減少和控制涂敷在模塊上的粘合劑的厚度。 結論 MOSFET晶體管特別適合下一代42 V的汽車電氣系統使用。但是這些器件必須適應汽車的使用環(huán)境，這樣才能達到市場所期望的功能、效率和可靠性。在使用這些新的器件和封裝技術的情況下，汽車的主要部件，例如閥門控制和轉向系統，可以用下一代電動控制和電動轉向系統取而代之，從而節(jié)省費用、減輕重量和燃油的消耗，這樣汽車制造商就可以靈活地探索個人運輸的新概念。