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发动机IGBT和MOSFET技术 提高燃油效率

发布日期:2007-11-29 | 行业动态

   高度集成的IGBT点火模块给汽车电子半导体厂家带来的首要挑战是热管理。飞兆半导体是点火IGBT排名第一的供应商,市场占有率超过30%,郭裕亮说:“伴随着汽车复杂性增加而出现的潜在应用或产品故障,IGBT需要具有更强的容错性或自我保护功能。而随着新兴应用对硅片容量和功率的需求不断提高,所有功率器件都会产生热量,为了减少热量的产生,要采用具有较低传导损耗或开关损耗的器件。”

   IGBT和MOSFET市场增长预测

   除了热管理之外,英飞凌科技(中国)有限公司汽车、工业及多元化电子市场部高级市场经理李立扬说:“汽车引擎在燃烧的过程中会发生震动,这些高频震动的频率很高,乘客通常无法察觉,但是,任何机械或电气连接都能够感知到。因此,首先要改善功率半导体器件的连接工艺,特别是IGBT功率模块。”他强调,对汽车点火IGBT的可靠性和品质要求很高,通常要达到长于汽车本身的寿命。

   郭裕亮指出,随着传统的分立产品正被集成式模块或多芯片器件所取代,以满足减少热量和占位面积的需求,为这些集成器件提供较高密度的封装以实现更小的功耗是IGBT器件或模块设计面临的挑战。为此,飞兆半导体提供名为EcoSPARK的第四代点火IGBT。“较之其它点火IGBT,该产品能够在更小的面积中处理更多能量。芯片面积的减少、再结合电流感测IGBT,能够在很小的TO263占位面积中提供更多的控制、更高的性能及更好的保护。”郭裕亮说道。

   郭裕亮:过去几年汽油机缸内直喷应用的IGBT数量增加了4至5倍。此外,飞兆半导体IGBT的其它应用还包括燃烧引擎或柴油引擎控制,以及混合电动汽车的高电压和大电流的交流电机驱动系统的应用设计。混合电动汽车或氢驱动汽车依靠一个电机作为车辆的主要驱动力,因而需要相当大的功率和极低传导损耗的IGBT。“飞兆半导体为HEV提供了IGBT、二极管和MOSFET,并正在开发新一代穿透型槽式IGBT,能实现更低的功率损耗(产热更少)来满足这种新兴电动汽车的应用需求,”郭裕亮强调说:“新一代IGBT将为汽车设计人员带来更低的传导损耗和开关损耗。”

   在减小IGBT损耗领域,英飞凌公司先后推出了FS-IGBT和TS-IGBT(沟槽栅场终止)技术。最新的TS-IGBT技术覆盖了600V到1200V系列IGBT,在该技术中沟槽栅与场终止层(field stop)概念结合起来,减少了载子聚集在沟槽栅附近引起的导通损耗。场终止层由附加的n型掺杂层植入晶圆的背面制作而成。将这种场终止层与衬底晶圆的经增强的电阻率结合在一起,就可以把相同耐压的IGBT芯片厚度减少大约1/3。李立扬说:“最终使导通损耗减少30%,关断损耗降低25%。采用该技术的600V IGBT3可以在最大结温为175度时提供200A的电流。”
 

    随着智能型IGBT集成度的提高,安森美半导体首席应用工程师Klaus Reindl说:“在IGBT芯片中集成额外电路的条件是与已有元件兼容,并且不改变其优化的IGBT结构。目前,已集成的功能有温度感测和电流检测。这两种检测功能的缺陷是需要更多的连接,且不能使用高容量、高性价比的3端电源封装。” Reindl认为,最佳的解决方案是采用一个优化的、非智能IGBT和一个线性双极性或LinCMOS智能预驱动器,作为MCU和IGBT之间的接口来提供驻留保护和控制特性。例如,Zetex半导体公司用SOT236封装的NPN和PNP复合晶体管制成的ZXTC2045E6,就能提供电源中高功率MOSFET和IGBT所需的驱动能力。
 
   目前,采用专用点火IGBT实现的全引擎管理系统具有更加紧凑、精确和控制可靠的特点。但是,飞兆半导体公司汽车应用和市场发展高级经理Jim Gillberg提醒说,点火系统从单一双极达林顿晶体管演化成每个汽缸使用一个点火IGBT后,器件成本问题就开始凸显出来。“改进IGBT的成本/性能比的方向是在相同电气性能的前提下,减少硅片的面积和封装体积,与此同时,增加系统的功能并改善性能。”他表示说,“我们的点火IGBT通过一种称为“PQFN”的封装技术,将控制芯片和IGBT封装在一起,控制芯片在物理上与IGBT隔离,从而避免这两个器件相互影响,这种新的多芯片封装技术提供更具成本效益的组件,能应付恶劣的汽车应用环境且可靠性高。”

   吉利发动机的林辉部长说:“汽油机缸内直喷控制系统正是采用了先进的IGBT模块,才极大地提高了燃油效率。”目前,博世的多点顺序汽油喷射智能点火控制模块已经广泛用于中国生产的汽车之中。随着汽油发动机由传统的电控多点燃油喷射向多点顺序喷射的转移,用于汽车点火控制的IGBT器件市场有望高速增长。isuppli预测汽车IGBT市场有望以17.2%的年复合增长率高速发展(图1),位居汽车电源管理器件之首,MOSFET市场增长据其次。

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