在新興的汽車電子系統(tǒng)中，需要越來越多的電力供應(yīng)，使得汽車制造商向現(xiàn)有的功率控制和功率轉(zhuǎn)換技術(shù)提出更高的要求，推動(dòng)著用于汽車的功率半導(dǎo)體和封裝技術(shù)向前發(fā)展，其所涉及的領(lǐng)域也已經(jīng)不只是功率MOSFET晶體管。 與通用的功率半導(dǎo)體器件相比，這些在汽車上使用的功率半導(dǎo)體器件對(duì)電壓和電流、開關(guān)頻率、功率損失、動(dòng)態(tài)特性以及保護(hù)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(zhuǎn)到使用42 V規(guī)范，相應(yīng)的要求就更高了。同時(shí)，在汽車上用電力進(jìn)行的控制，例如用電力來制動(dòng)和轉(zhuǎn)向，也推動(dòng)著汽車電力電子技術(shù)領(lǐng)域的不斷變革。 　　 處在這場變革中心的，是集成式啟動(dòng)器交流發(fā)電機(jī)（ISA），這是一種完全可逆的電機(jī)。利用這種集成式啟動(dòng)器發(fā)電機(jī)，可以高效率地實(shí)現(xiàn)許多需要很大峰值功率的電子功能。首先，當(dāng)汽車停下來等著交通燈從紅色轉(zhuǎn)成綠色時(shí)，可以把發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)掉，這是因?yàn)椋?dāng)駕駛員踩下加速器時(shí)，交流發(fā)電機(jī)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(shí)節(jié)省燃油。然而，對(duì)于實(shí)現(xiàn)電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向（EPS）、用電力進(jìn)行的各種控制、主動(dòng)式懸掛系統(tǒng)、電子透平機(jī)輔助設(shè)備、電子閥門控制、變速空調(diào)等等來講，ISA也是極為重要的。 　　 在技術(shù)方面，ISA的挑戰(zhàn)主要來自于大功率電子控制部分的設(shè)計(jì)。通常這是一個(gè)三相逆變器/整流器，為42 V負(fù)載供電，當(dāng)工作在整流器方式時(shí)，為36 V電池進(jìn)行充電。在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)，它工作在逆變器方式，為啟動(dòng)器電動(dòng)機(jī)供電。為了實(shí)現(xiàn)合適的供電設(shè)計(jì)，要弄清對(duì)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(gè)例子。 　　 首先，功率MOSFET晶體管通過電流的能力必須很強(qiáng)，這樣ISA才可以滿足它所承受的最大負(fù)載的要求。一般地講，就是要求在低環(huán)境溫度的情況下對(duì)內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行冷啟動(dòng)。大多數(shù)汽車制造商認(rèn)為，ISA有10 kW就足夠了。對(duì)于使用42 V功率系統(tǒng)的10 kW系統(tǒng)來講，逆變器中每只開關(guān)通過峰值電流的能力必須達(dá)到400 A的范圍。值得注意的一點(diǎn)是，雖然啟動(dòng)一臺(tái)熱的發(fā)動(dòng)機(jī)需要的電流較小，但是功率MOSFET晶體管的額定電流也會(huì)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(dāng)?shù)汀Ａ硗?，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(jī)工作效率。降低寄生電感對(duì)于減少切換時(shí)產(chǎn)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(rèn)為使用模塊是最好的辦法。但是，由于模塊封裝會(huì)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(shí)現(xiàn)，還有些人則考慮使用先進(jìn)的封裝來提高通過電流的能力，同時(shí)盡量減少寄生電感。 　　 除此之外，還有在切換過程方面的進(jìn)一步要求，就是要針對(duì)所使用的開關(guān)頻率（一般是數(shù)千赫茲）進(jìn)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(dá)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(chǎn)業(yè)出現(xiàn)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(jìn)只有在費(fèi)用很少或者不增加價(jià)錢的情況才會(huì)為人們所接受。 模塊是針對(duì)42 V規(guī)范的混合汽車設(shè)計(jì)。在這種汽車中，動(dòng)力主要是由內(nèi)燃機(jī)提供的。這個(gè)模塊是一個(gè)半橋電路，其中有兩個(gè)功率MOSFET晶體管芯片（每個(gè)為150 mm 2），能夠在42 V的電源母線上對(duì)600 A的電流進(jìn)行切換。為了降低熱應(yīng)力，F(xiàn)ET晶體管安裝在陶瓷基片上，同時(shí)陶瓷基片的溫度系數(shù)與硅是完全匹配的。利用先進(jìn)的導(dǎo)線壓焊技術(shù)，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(qū)動(dòng)電路、感測電路和保護(hù)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(qū)動(dòng)電路能夠以20 kHz的頻率驅(qū)動(dòng)這些FET晶體管，其中涉及的參數(shù)感測和轉(zhuǎn)換也是在這塊電路板上進(jìn)行的。 　　 于電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的大功率MOSFET晶體管 　　 關(guān)于大功率逆變器/整流器的理想電路設(shè)計(jì)和實(shí)施，爭論仍在繼續(xù)著，但有一點(diǎn)是很清楚的：42 V的ISA是將來電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）這類電動(dòng)汽車系統(tǒng)的關(guān)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(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)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(guān)，也與供應(yīng)商給出技術(shù)指標(biāo)的方法有關(guān)。對(duì)于已經(jīng)進(jìn)入市場的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而言，這個(gè)局限性將迫使設(shè)計(jì)人員把幾個(gè)分立器件并聯(lián)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(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的系統(tǒng)成本。相對(duì)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(gè)辦法。從另一方面講，增加標(biāo)準(zhǔn)D2Pak封裝的引腳數(shù)量，可以讓電流在并聯(lián)的五個(gè)引腳上流過，而不是只在一個(gè)引腳上流過。這個(gè)辦法的優(yōu)點(diǎn)是，降低了電路板上引腳的溫度，提高了焊點(diǎn)的可靠性，并且有效地把通過電流能力比標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)線壓焊的面積也就可以大一些，這樣還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是與標(biāo)準(zhǔn)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(shù)的芯片 　　 在電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)功率逆變器中，大功率MOSFET晶體管一般是價(jià)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(jìn)行改進(jìn)，尤其是在降低熱阻和電阻方面的改進(jìn)，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(jìn)行了改進(jìn)的同樣尺寸MOSFET晶體管，就可以降低損耗和提高效率。 　　 大多數(shù)汽車中使用的模塊現(xiàn)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(duì)于中等功率和低功率，一個(gè)新的想法是將芯片裝在引線架上（DOL）。這時(shí)沒有單獨(dú)的基片，MOSFET晶體管是直接安裝在同一個(gè)模塑引線架上，用引線架形成連接端子，進(jìn)行外部連接到模塊的外殼上。 　　 DOL不需要基片，同時(shí)不會(huì)增加外殼或者引線架的成本。一般而言，包含主要的系統(tǒng)控制和柵極驅(qū)動(dòng)電路的印刷電路板是和它緊緊相靠的，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來講，是一個(gè)十分經(jīng)濟(jì)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(diǎn)。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(jié)論 MOSFET晶體管特別適合下一代42 V的汽車電氣系統(tǒng)使用。但是這些器件必須適應(yīng)汽車的使用環(huán)境，這樣才能達(dá)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(shù)的情況下，汽車的主要部件，例如閥門控制和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，可以用下一代電動(dòng)控制和電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取而代之，從而節(jié)省費(fèi)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(gè)人運(yùn)輸?shù)男赂拍睢?