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“无线”功率开关为节能汽车提供先进电源管理解决方案

导读: 近年来,节能成为全新汽车技术和趋势的热门话题。回顾过去20年,汽车的电子化主要由驾驶者对更舒适和更豪华的设备,例如电动车窗、电动天窗和敞篷车盖、高级音响器材、电动座椅、空调或电动液压助力转向系统等的渴求所推动...

  近年来,节能成为全新汽车技术和趋势的热门话题。回顾过去20年,汽车的电子化主要由驾驶者对更舒适和更豪华的设备,例如电动车窗、电动天窗和敞篷车盖、高级音响器材、电动座椅、空调或电动液压助力转向系统等的渴求所推动,这些设备全都增加了汽车对半导体及电子零件的需求。现在,电子化汽车设计的首要目标已经有所不同。虽然豪华设备和更好的驾驶功能对汽车来说仍然重要,但现在以至可见的未来,当代汽车所采用的大部分电子系统,也是以减少排放、提高燃料效率,并且降低车内系统的电力消耗为推动力。

  达到这个目标的最好方法,便是使用更有效率,也更智能的电子系统去替代汽车的机械及液压系统。典型的例子有以电动转向系统替代液压或者电动液压系统;电力电机驱动替代连续运行的皮带驱动系统,就像空调压缩器、涡轮充电器,或其它的泵和风扇。即使是一些照明应用,如能够节能的“高强度气体放电灯” (HID) 或LED灯,也用来代替欠缺效率的传统灯泡。最终,内燃引擎亦将会由具效率的电动电机所取代,就像我们现在于混合动力和电动汽车的动力系统所看到的一样。

  汽车电子化也使国际整流器公司(IR)这些半导体供应商以开发高效率的电源管理解决方案为己任,从而尽量提高这些应用的能源效益。IR先进的电源管理解决方案结合了非常先进的硅技术及革命性的新封装技术,能够同时改善汽车系统的性能和耐用性。特别是在封装方面,我们为系统设计师带来创新解决方案,以及设计ECU、电机驱动和电源的新方法。

  现今的硅技术实现了非常好的开关,例如最新的沟道MOSFET和IGBT。不过,相关的封装技术经常利用十分保守的焊接方法把硅芯片装贴到基片或铅框架,并且以键合线连接其表面。早在2002年,IR已经开始发展新的连接界面,希望通过简单的封装,就能把我们最好的硅技术连接到电力电路,还把电流和热流的界面减到最少。最终的成果是,我们开发出免除键合线的DirectFET技术。这种技术的实现有赖于硅开关的正面金属可焊,以便使由简单金属外壳包围的MOSFET可直接焊接到印刷电路板。图1和图2所展示的概念主要是设计简单、尽量减少物料和界面,最特别的是无需再用键合线去达到最好的电力和温度性能。此外,这个概念也能够提高汽车系统的质量和可靠性,因为它消除了汽车功率周期中的主导失效模式:也就是所谓的键合线脱离。

  

  图1:DirectFET焊接在PCB上。

  

  图2:DirectFET的横切面:硅芯片的温度和电力接口尽量缩小尺寸,同时电力和温度性能也远远超出采用键合线的标准封装。

  直接封装概念非常适合同时要求卓越性能、质量、耐用性和长久可靠性的汽车应用。与此同时,IR优化了DirectFET概念,结果造就了我们在今年初推出、全面汽车认可的DirectFET2产品线。有关的汽车芯片由一个小外壳包围,让的客户可以为其电子控制单元和功率级引入非常创新的设计概念。这些DirectFET2开关能够通过不同的方法散热,包括从器件的上方散热,免除了组件要通过PCB,甚至利用ECU外壳两侧进行冷却的需要,也不用藉着在ECU设计里的其它散热部分来降低温度。客户因而可生产专有的系统解决方案,从而在其它采用标准封装零件和键合线的竞争对中脱颖而出。

  

  图3:汽车用DirectFET2的各种创新散热方法选择

  IR将其无键合线策略伸延到所有汽车用的功率开关。其最新一代的IGBT也具备IR专有的正面金属可焊技术,提供完全没有键合线的芯片连接,也为采用IGBT和二极管的高电压系统实现了双面散热概念。据我所知,IR是首家以裸芯片搭配正面金属可焊技术来推出商用汽车认可IGBT的公司,使拥有硅处理能力的客户可以建立和设计它们自己的双面散热无键合线功率模块或功率级。有了IR的正面金属可焊器件,平常无法接触专有硅技术的系统设计师,现在也可享受“无线汽车电源管理”的世界。

  除了裸芯片,IR亦将提供专有的芯片载体解决方案。该方案附有正面金属可焊IGBT,来支持那些生产线没有能力处理裸芯片的客户。最先进的高性能IGBT是以非常纤薄的晶圆制造,厚度仅为60到70微米。这些硅晶圆既薄且具弹性,就如纸张一样,所以必须使用极为专业的程序和昂贵的器材去处理。很多第一级和第二级的系统供应商都不愿意投资这种昂贵的器材,也不想经历需要长久学习才会熟练的纤薄芯片处理过程,更不希望要承受薄芯片处理期间非常高的良率耗损。

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