盡管標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車可以相對輕松地從12V電池供電和相應(yīng)的12V/14V交流發(fā)電機獲取車載系統(tǒng)的電氣需求，但由于混合動力" title="混合動力">混合動力電動汽車采用了幾個系統(tǒng),，它們需要更高的功率級別,。對于輕混,、全混,、插電式混合動力汽車或純電動汽車而言,，耗能最多的組件是電機驅(qū)動裝置,。該裝置需要在沒有內(nèi)燃機支持的情況下,，至少在一定時間內(nèi)有效驅(qū)使車輛行進。為在不損失阻性連接通道上大部分電能條件下,，為數(shù)十千瓦至上百千瓦的大功率電機供電,，大電流路徑需要實現(xiàn)更高的電壓（范圍為600V至1200V）。但即使在如此之高的電壓條件下,，所需的電流水平也不過為幾百安培,。
高壓電網(wǎng)的引入，使汽車行業(yè)開始采用兩個全新的功率密集型產(chǎn)品：將直流轉(zhuǎn)換成交流以驅(qū)動電機的DC-AC逆變器,，以及在高壓電網(wǎng)和12V電網(wǎng)之間實現(xiàn)電能交換的DC-DC 轉(zhuǎn)換器,。混合動力汽車仍然需要12V電網(wǎng),，因為多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)汽車電子系統(tǒng)都采用12V電源,。
如前所述，換流器和轉(zhuǎn)換器需要管理幾千瓦的功率,，因此需要配備優(yōu)化半導(dǎo)體器件和高級封裝的十分復(fù)雜的高效電子裝置,。專注功率管理的國際整流器（IR）公司因此認為這種半導(dǎo)體平臺要滿足這些全新高功率電子系統(tǒng)的要求需具備下述性能：
1） 在各種應(yīng)用中具備更高能效；
2） 更高的載流能力,，在600V至1200V典型電壓條件下,，載流能力為100A至300A；
3） 更出色的機械和電氣性能,，確保能夠經(jīng)受惡劣的汽車環(huán)境,，同時滿足防失效設(shè)計的所有安全和保護要求；
4） 更低的電磁干擾和寄生電感,，由于開關(guān)大電流和高壓會產(chǎn)生極強的電磁場,，包括傳導(dǎo)或傳遞噪聲/電磁干擾、過壓尖峰和對汽車敏感電子裝置造成影響的其他干擾等,。
下文詳細探討圖1所示的可解決上述問題的5個主要平臺元素：
圖1：滿足混合動力電動汽車的功率管理需求的五大“必備要素”,。
1. 高效的高壓IGBT" title="IGBT">IGBT：在電壓范圍為600V至1200V條件下，要想高效地開關(guān)幾百安培的大電流,，需要采用這種類型的功率開關(guān),。相對于MOSFET" title="MOSFET">MOSFET而言，世界一流的溝槽型IGBT在這些高壓條件下能效更高,。這些器件在極高的電流密度條件下,，具備極低的導(dǎo)通電阻。如果采用標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合封裝,，其性能將會極大地受到這種傳統(tǒng)裝配技術(shù)的限制,。因此IR公司采用專利的可焊正面金屬工藝，使IGBT能夠被焊接在兩側(cè),，從而徹底避免在換流器或轉(zhuǎn)換器模塊中使用引線鍵合,。該解決方案可解決上文所述的兩個以上的問題：由于避免了“鍵合引線脫落”這種典型的故障模式，無引線鍵合裝配的可靠性和穩(wěn)健性大幅提高,。潛在的故障機制是焊劑磨損殆盡,，但這需要很長的時間和很高的應(yīng)力。采用這種技術(shù)的模塊廠商可使用更小的器件——相對于一流的引線鍵合裝配解決方案,，可在更高溫度條件下運行,，并能夠承受更寬的溫度變化。圖2顯示的是高級無引線鍵合裝配的應(yīng)力測試典型結(jié)果,。
圖2：采用基于專利陶瓷的定制封裝的引線鍵合IGBT,，與無引線鍵合雙面焊接IGBT的功率循環(huán)的比較。左圖和右圖顯示不同的溫度應(yīng)力剖面,，每個豎條代表一種被測器件,。
除提高穩(wěn)健性外，采用前面可焊金屬的器件還能改善其他問題,，包括寄生電感,、產(chǎn)生噪聲的振鈴以及大電流開關(guān)帶來的電磁干擾等。通過實現(xiàn)雙面焊接連接，感應(yīng)率被降至最低或者完全消失,。事實證明,，IR公司的無引線鍵合器件相對于任何標(biāo)準(zhǔn)的引線鍵合或塑料封裝器件，具備更出色的開關(guān)性能,。例如,，圖3為IR公司的專利DirectFET封裝與引線鍵合塑料封裝器件的快速開關(guān)性能比較。
圖3：IR公司的專有無引線鍵合DirectFET封裝,，可降低寄生電感和振鈴,，明確具備更出色的電磁干擾性能。
盡管標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機驅(qū)動的汽車可以相對輕松地從12V電池供電和相應(yīng)的12V/14V交流發(fā)電機獲取車載系統(tǒng)的電氣需求,，但由于混合動力電動汽車采用了幾個系統(tǒng),，它們需要更高的功率級別。對于輕混,、全混,、插電式混合動力汽車或純電動汽車而言，耗能最多的組件是電機驅(qū)動裝置,。該裝置需要在沒有內(nèi)燃機支持的情況下,，至少在一定時間內(nèi)有效驅(qū)使車輛行進。為在不損失阻性連接通道上大部分電能條件下,，為數(shù)十千瓦至上百千瓦的大功率電機供電,，大電流路徑需要實現(xiàn)更高的電壓（范圍為600V至1200V）。但即使在如此之高的電壓條件下,，所需的電流水平也不過為幾百安培,。
高壓電網(wǎng)的引入，使汽車行業(yè)開始采用兩個全新的功率密集型產(chǎn)品：將直流轉(zhuǎn)換成交流以驅(qū)動電機的DC-AC逆變器,，以及在高壓電網(wǎng)和12V電網(wǎng)之間實現(xiàn)電能交換的DC-DC 轉(zhuǎn)換器,。混合動力汽車仍然需要12V電網(wǎng),，因為多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)汽車電子系統(tǒng)都采用12V電源,。
如前所述，換流器和轉(zhuǎn)換器需要管理幾千瓦的功率,，因此需要配備優(yōu)化半導(dǎo)體器件和高級封裝的十分復(fù)雜的高效電子裝置,。專注功率管理的國際整流器（IR）公司因此認為這種半導(dǎo)體平臺要滿足這些全新高功率電子系統(tǒng)的要求需具備下述性能：
1） 在各種應(yīng)用中具備更高能效；
2） 更高的載流能力,，在600V至1200V典型電壓條件下,，載流能力為100A至300A；
3） 更出色的機械和電氣性能,，確保能夠經(jīng)受惡劣的汽車環(huán)境,，同時滿足防失效設(shè)計的所有安全和保護要求,；
4） 更低的電磁干擾和寄生電感，由于開關(guān)大電流和高壓會產(chǎn)生極強的電磁場,，包括傳導(dǎo)或傳遞噪聲/電磁干擾,、過壓尖峰和對汽車敏感電子裝置造成影響的其他干擾等。
下文詳細探討圖1所示的可解決上述問題的5個主要平臺元素：
圖1：滿足混合動力電動汽車的功率管理需求的五大“必備要素”,。
1. 高效的高壓IGBT：在電壓范圍為600V至1200V條件下,，要想高效地開關(guān)幾百安培的大電流,，需要采用這種類型的功率開關(guān),。相對于MOSFET而言，世界一流的溝槽型IGBT在這些高壓條件下能效更高,。這些器件在極高的電流密度條件下,，具備極低的導(dǎo)通電阻。如果采用標(biāo)準(zhǔn)引線鍵合封裝,，其性能將會極大地受到這種傳統(tǒng)裝配技術(shù)的限制,。因此IR公司采用專利的可焊正面金屬工藝，使IGBT能夠被焊接在兩側(cè),，從而徹底避免在換流器或轉(zhuǎn)換器模塊中使用引線鍵合,。該解決方案可解決上文所述的兩個以上的問題：由于避免了“鍵合引線脫落”這種典型的故障模式，無引線鍵合裝配的可靠性和穩(wěn)健性大幅提高,。潛在的故障機制是焊劑磨損殆盡,，但這需要很長的時間和很高的應(yīng)力。采用這種技術(shù)的模塊廠商可使用更小的器件——相對于一流的引線鍵合裝配解決方案,，可在更高溫度條件下運行,，并能夠承受更寬的溫度變化。圖2顯示的是高級無引線鍵合裝配的應(yīng)力測試典型結(jié)果,。
圖2：采用基于專利陶瓷的定制封裝的引線鍵合IGBT,，與無引線鍵合雙面焊接IGBT的功率循環(huán)的比較。左圖和右圖顯示不同的溫度應(yīng)力剖面,，每個豎條代表一種被測器件,。
除提高穩(wěn)健性外，采用前面可焊金屬的器件還能改善其他問題,，包括寄生電感,、產(chǎn)生噪聲的振鈴以及大電流開關(guān)帶來的電磁干擾等。通過實現(xiàn)雙面焊接連接,，感應(yīng)率被降至最低或者完全消失,。事實證明，IR公司的無引線鍵合器件相對于任何標(biāo)準(zhǔn)的引線鍵合或塑料封裝器件,，具備更出色的開關(guān)性能,。例如，圖3為IR公司的專利DirectFET封裝與引線鍵合塑料封裝器件的快速開關(guān)性能比較。
圖3：IR公司的專有無引線鍵合DirectFET封裝,，可降低寄生電感和振鈴,，明確具備更出色的電磁干擾性能。
2. 先進的封裝是高效電源管理平臺的另一個重要的因素,。如上文所述,，IR公司針對汽車行業(yè)推出了十分先進的封裝技術(shù)。將結(jié)實耐用的前面金屬層置于我們的硅開關(guān)（MOSFET,、IGBT）上,，使我們能夠?qū)o引線鍵合的芯片級功率封裝應(yīng)用于所有功率開關(guān)。直接封裝（Direct-Packages）具備出色的開關(guān)性能,、基本為零的寄生電感,、更強的機械可靠性和魯棒性——原因是避免了引線鍵合，還能實現(xiàn)芯片雙面散熱,。如果一面有引線鍵合是無法實現(xiàn)雙面散熱的,。這些封裝解決了上文所述的主要問題，使客戶能夠設(shè)計出創(chuàng)新的控制裝置和電源模塊,。
3. 快速開關(guān)器件也是混合動力電動汽車應(yīng)用一個十分重要的需求,。盡管電機驅(qū)動變頻器的典型開關(guān)頻率為6 kHz 至10kHz，但DC-DC 轉(zhuǎn)換器或其他電池充電裝置通常具備更高的頻率范圍（100kHz至200kHz）,，以提高降壓/升壓轉(zhuǎn)換器效率,，并縮小這些系統(tǒng)中的無源組件（電感器/電容器）的尺寸。不幸的是,，基于其雙極器件物理特征,，IGBT可在10KHz開關(guān)頻率下達到最理想的性能，但在100kHz以上的高頻條件下,，需采用特殊的MOSFET,、CoolMOS或超結(jié)（Super Junction）器件。不過,，這些器件都有缺點,，例如極高的成本和有限的穩(wěn)健性等。IR公司的汽車產(chǎn)品組合,，提供了以更低的成本和出色的開關(guān)性能解決這些問題的替代解決方案,。IR公司的汽車用DirectFET，設(shè)立了電壓高達250V的快速開關(guān)性能的標(biāo)桿,。更高電壓的快速開關(guān)產(chǎn)品,，需要采用IR公司的專有WARP speed IGBT。相比典型的高壓超結(jié)器件而言,，WARP speed IGBT可以更出色的性價比實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率,。新一代汽車WARP speed IGBT可滿足100kHz以上的開關(guān)頻率要求,，因此是混合動力電動汽車的大功率DC-DC 轉(zhuǎn)換器的理想解決方案。
4. 具備高抗雪崩能力的MOSFET,，是混合動力電動汽車半導(dǎo)體平臺的另一個重要部件,。硬開關(guān)產(chǎn)品常常需要MOSFET通過進入雪崩模式實現(xiàn)重復(fù)開關(guān)。在雪崩模式下,，電壓基本上會超過擊穿電壓,，高度加速的載流子在擊穿電壓水平下，會涌入MOSFET的PN結(jié)區(qū),。這些高度加速的“熱載流子”通常會逐漸損壞柵極氧化層,。經(jīng)過一段時間或重復(fù)多次出現(xiàn)雪崩事件后，MOSFET會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損傷,。閾值電壓漂移,，漏電流逐漸增大,，或者有時柵極氧化層斷裂,。IR公司的專利MOSFET尤其穩(wěn)健耐用，可實現(xiàn)可靠的重復(fù)雪崩開關(guān),。事實證明,，這些器件應(yīng)用于電機驅(qū)動等電感負載的硬開關(guān)產(chǎn)品時，穩(wěn)健性,。結(jié)合無引線鍵合Direct封裝,，這些器件可設(shè)立開關(guān)性能標(biāo)桿，同時確保出眾的硅片穩(wěn)健性,。
5.驅(qū)動功率器件的穩(wěn)健耐用,、功能強大的控制IC。為幫助系統(tǒng)設(shè)計人員利用所需的控制IC完成整個功率級開發(fā)任務(wù),，IR公司推出了陣容強大的汽車用驅(qū)動IC產(chǎn)品組合,。該產(chǎn)品組合適用于廣泛的拓撲結(jié)構(gòu)，可滿足高級換流器,、轉(zhuǎn)換器或電源的系統(tǒng)需求,。專有的汽車用高壓和低壓柵極驅(qū)動IC，具備非凡的穩(wěn)健性和自鎖抗擾度,。針對電壓小于75V的應(yīng)用,，IR推出了專利智能化功率IC，它們能夠處理的電流,，遠遠高于采用尖端BCD工藝制造的模擬混合信號IC,。針對電壓范圍為100V 至1200V的應(yīng)用，也推出了眾多具備業(yè)界領(lǐng)先的負瞬態(tài)電壓尖峰安全操作區(qū)（NTSOA）的高壓結(jié)隔離驅(qū)動IC產(chǎn)品,，如圖4所示,。世界一流的驅(qū)動IC的故障模式是,，經(jīng)常會因為以很高的電流和電感負載執(zhí)行半橋開關(guān)時產(chǎn)生的高負電壓尖峰而發(fā)生栓鎖現(xiàn)象。IR公司推出的車用驅(qū)動IC,，不僅堅固耐用,，而且具備自鎖防護功能，這使它們成為驅(qū)動電流密度很高的大型IGBT的理想之選,。為滿足高柵極驅(qū)動電流需求,，還推出了具備高達10A的驅(qū)動電流能力的專有緩沖器IC。
圖4：IR公司的車用柵極驅(qū)動,，由于采用專有的工藝和設(shè)計,，因此更加穩(wěn)健耐用。這些工藝特性和設(shè)計可確保生成高負電壓尖峰的大型IGBT的絕對栓鎖控制,。
圖1概述了本文內(nèi)容,，體現(xiàn)了硅功率管理平臺的5大要素。該平臺有助于克服當(dāng)今汽車動力總成電氣化所面臨的一些最緊迫的問題,。