【導讀】日益嚴格的能效及環保法規推動汽車功能電子化趨勢的不斷增強和混合電動汽車/電動汽車(HEV/EV)的日漸普及，這加大了對高能效和高性能的電源和功率半導體器件的需求。安森美半導體作為汽車功能電子化的領袖之一和全球第二大功率分立器件和模塊半導體供應商，提供廣泛的高能效和高可靠性的系統方案，并采用新型的寬禁帶材料如碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)等進行新產品開發，用于汽車功能電子化和HEV/EV應用。
HEV/EV重點應用及方案概覽
HEV/EV的重點應用有：車載充電器、電池管理、牽引逆變器、輔助逆變器、48 V皮帶啟動發電機(BSG)和DC-DC轉換器。
典型的HEV/EV高壓應用框圖如圖1所示。交流電源通過車載充電器輸出直流電源，由電池管理系統給高壓電池充電，同時，高壓電池為主逆變器、輔助高壓逆變器及高壓PTC加熱器提供電源，除了以上高壓負載以外，HEV/EV汽車還有很多低壓負載，需要高壓轉低壓 (HV-LV) 的DC-DC提供電源。
圖1：典型的HEV/EV高壓應用框圖
對于車載充電器，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊、超級結MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模塊作為PFC升壓開關及DC-DC全橋，同時采用整流器作為輸入輸出整流橋及PFC升壓應用。對于主逆變器，可采用IGBT裸片、SiC MOSFET裸片、分立器件及模塊。對于HV-LV DC-DC，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊、超級結MOSFET、SiC MOSFET分立器件及模塊作為全橋，及采用整流器作為輸出整流橋。對于輔助逆變器，可采用溝槽IGBT分立器件及模塊。對于高壓PTC加熱器，可采用溝槽和平面IGBT分立器件。對于48 V BSG，可采用中壓MOSFET模塊。
汽車IGBT分立器件
安森美半導體的IGBT技術處于行業領先地位，已從最早的穿通型(PT)、非穿通型(NPT)發展到了現在的場截止(FS)平面及溝槽工藝。FS IGBT的特性及性能為：低導通和開關損耗；正溫度系數便于并聯運行；最大結溫 : Tj=175degC；緊密的參數分布；大的安全工作區域(SOA)。目前安森美半導體的第三代場截止(FSIII)工藝的產品性能已接近行業頂尖水平，并將于2018年開始研發FSIV工藝。
安森美半導體目前提供的汽車級分立IGBT的電壓范圍主要是600 V至650 V、電流范圍從20 A至160 A，同時提供D2PAK、TO247等多種封裝選擇。
表1：安森美半導體用于HEV的分立IGBT陣容
除了傳統的 分立器件和模塊，安森美半導體同時提供汽車級裸片，目前公司已量產的IGBT和快恢復二極管(FRD)裸片主要是650 V產品，電流包含160 A、200 A和300 A，同時積極研發750 V和1200 V IGBT和FRD裸片。
安森美半導體提供集成電流檢測及溫度檢測的IGBT裸片。電流檢測功能通過測量一個并聯的小IGBT的電流，然后乘以一個已知的比例因子來實現，適用于過流、芯片組算法來提高整個溫度范圍內的電流檢測精度。溫度檢測功能通過測量一串多晶硅二極管的正向電壓VF來實現，VF與溫度線性相關，用作硅結的精確的溫度傳感器。
汽車高壓整流器
根據不同的應用，整流器可選擇更低導通損耗或更低開關損耗的產品，各類產品的主要特點及應用如圖2所示。
圖2：整流器的技術定位
安森美半導體量產的汽車級高壓整流器包括600 V、1000 V和1200 V的產品，電流從4 A至80 A，提供DPAK、TO220和TO247等多種封裝選擇。
表2：安森美半導體汽車級高壓整流器陣容
牽引逆變器功率模塊
安森美半導體創新了雙面散熱汽車高壓功率模塊，用于牽引逆變器，采用雙面可焊接工藝晶圓集成電流及溫度檢測功能，結合緊湊的布局，從而實現同類產品最佳的熱性能及電氣性能：降低約40% 熱阻，雜散電感低至7 nH。其模塊化的結構增加功率密度，減小尺寸、重量及成本，實現緊湊的系統設計。通過最佳的溝槽場截止IGBT配合軟恢復二極管以提供最佳性能。超低寄生效應的單個裸片實現簡化的門極驅動器，額外的表面使其它電子器件如總線電容實現無源散熱，精密的傳感器用于高速及準確的系統診斷。
該系列模塊提供650 V和1200 V電壓選擇，額定電流400 A至1000 A，滿足廣泛的功率等級，最多可擴展至6套，用于包括升壓轉換器的完整混合逆變器動力傳輸系統，實現最低的系統成本。
其模塊化及通用設計實現水平及垂直裝配。對于水平安裝，電源腳支持螺釘、焊接或焊錫連接，提供多種引腳彎曲選項，信號引腳支持press fit選項。對于垂直安裝，提出超緊湊的3D概念，最適用于混合電動汽車及插電混合電動汽車(HEV & PHEV)，集成逆變器、發電機及DC-DC升壓器到單個液體冷卻系統。
汽車超級結(SJ) MOSFET
SJ MOSFET是利用電荷平衡技術實現出色的低導通電阻和低柵極電荷性能、從而最小化導通損耗并提供出色的開關性能的新型MOSFET。圖3所示為650 V SJ MOSFET技術演進。
圖3：650 V SJ MOSFET技術演進
SJ MOSFET各版本對比如下：
快速版本通過最大限度地降低Crss來實現，主要特性包括： 高能效、硬開關拓撲、減小Qg和Eoss，主要應用于升壓PFC、全橋、雙向Buck-Boost、半無橋PFC。
易驅動版本通過內置Rg實現，具有低門極震蕩、低EMI和電壓尖峰、易驅動、控制更低的Coss、硬/軟開關拓撲等特性，主要應用于升壓PFC、半無橋PFC、相移DC-DC。
快恢復版本主要通過載流子壽命控制來實現，主要特性有：快速體二極管、小的Qrr 和Trr、強固的二極管、更好的可靠性、軟諧振開關，主要應用于LLC、LCC、雙有源橋式DC-DC等拓撲。
相同封裝的情況下，SuperFET® III比SuperFET® II的Rds (on)減小近50%，提供更高的功率密度，適用于高功率車載充電系統，且更少的并聯MOSFET需要更少的空間，從而使得并聯器件的布局串擾更小。
安森美半導體已量產的汽車SJ MOSFET和裸片陣容如表3所示。
表3：安森美半導體的SJ MOSFET和裸片陣容
寬禁帶(WBG)
寬禁帶半導體材料被稱為第三代半導體材料，以SiC和GaN為代表，具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大等特性，提供卓越的開關性能、溫度穩定性和低電磁干擾（EMI）。以SiC為例，具有比硅(Si)高10倍的介電擊穿強度、高2倍的電子飽和速度、高3倍的能量帶隙、高3倍的熱導率，其更高的開關頻率支持更小的磁性和被動元件，降低整體系統的尺寸和成本，采用SiC比采用Si的牽引逆變器或車載充電器減少了系統的重量，需要較少的冷卻和提供更高的能效，從而增加每次充電的續航英里。而GaN具備出色的擊穿能力、更高的電子密度及速度，和更高的工作溫度，其高電子遷移率意味著更出色的開關性能，而低損耗加上高結溫特性，可降低散熱量，高開關頻率可減少濾波器和無源器件的使用，最終減小系統尺寸和重量，提升功率密度。
安森美半導體是唯一能同時提供GaN和SiC器件的供應商，并以此積極開發更多不同的器件以滿足HEV/EV汽車各類應用的需求。
汽車高壓輔助智能功率模塊（IPM）
汽車高壓輔助IPM的目標應用是純電動汽車、插電混合動力汽車、重度混合動力汽車、中度混合動力汽車、燃料電池汽車中的所有輔助IPM，包括高壓冷卻風扇、渦輪增壓器、空調壓縮機、高壓電動水泵/油泵/燃油泵等。
汽車高壓IPM模塊基于出色的DBC基板，具有超低熱阻，確保Tj=175℃，提供同類最佳的溫度循環試驗及電源可靠性，實現超長使用壽命，具備出色的強固性，即使在最壞的情況下，耐短路時間超過5 us，采用高度集成緊湊的封裝，集成6個功率器件/HVIC/DBC/全面的保護等，短設計周期及裝配流程實現IPM完全優化以提供穩定的EMI 及熱性能。
安森美半導體目前正積極開發應用于汽車電動空調壓縮機、汽車風扇、超級充電器、油泵/水泵的ASPM®27系列V2 和ASPM®34系列。
汽車功率模塊
安森美半導體具備領先的封裝技術、半導體設計、制造能力及快速響應能力，提供功率從0.8 kW到20 kW、電壓從12 V至470 V的汽車功率模塊用于電動助力轉向、制動及加速防滑系統(ARS)、空調壓縮機、超級充電器、皮帶/集成的起動發電機、DC-DC轉換器、電池開關、車載充電器等應用，并根據客戶需求定制不同的封裝設計和方案和提供快速響應。
安森美半導體標準的APM19和APM17汽車模塊陣容如表4所示。
表4：安森美半導體標準的APM19和APM17汽車模塊陣容
總結
作為汽車功能電子化的領袖之一和全球第二大功率分立器件和模塊半導體供應商，安森美半導體擁有同類最佳的IGBT、MOSFET、WBG技術，和創新及高效的功率模塊封裝，提供用于汽車功能電子化廣泛的高能效、高可靠性的汽車電源半導體，并可根據客戶需求提供定制方案，通過世界一流的供應鏈，配合汽車功能電子化趨勢和滿足不同應用需求。
