面向未来节能汽车的大功率高压产品

几十年来，标准内燃机驱动汽车一直由14V/12V铅酸电池供电，并且所有电动汽车应用和系统都是根据这个电压较低的架构设计而成。商用卡车市场是一个小特例，其采用电压较高（24V）的电池为耗电高的卡车或公共汽车提供更大的电流。即使在这种情况下，总电压要求也明显低于100V；由于卡车应用中的击穿电压多为30V、40V、55V，有时高达60V或75V，所以可以使用典型的电源开关。驱动器IC通常采用模拟混合信号工艺，其电压一般为40V，最高为70V以至80V。实现所有汽车或卡车应用绰绰有余。

然而，如今我们发现汽车电网领域出现了较大转变 - 电压越来越高。从10~15年前高电压（HV）被应用到标准乘用车中，这种转变既已开始。电压高于14V的电网开始在一些专用领域发展。采用100V或者更高电压的应用实例如图1所示 ：高压压电燃料喷射、HID（高强度放电）照明和面向豪华汽车内高可靠性环绕声HIFI系统的高端大功率D类放大器之类的应用。高压系统首次用在了小批量高端车内，从而将汽车14V/12V电池的电压提升到了更高的水平，并且远远高于100V。如果环境立法者开始实施排放法规（其要求实现比过时的内燃机能够提供的高得多的燃料效率），那么高压系统很快就会成为必需品。借助于高精度燃料喷射器，柴油机和当今汽油发动机内的燃烧过程可以得到大幅改善，从而显著降低排放量。效率最高的燃料喷射器由基于高压压电元件的复杂高压喷射器驱动，它会在精确的时间将很小剂量的燃料喷射到各个气缸的燃烧室内。于是，高电压进入现代汽车的重点领域，为内燃机提供支持，并最终成为引擎盖下广为接受的高压应用。

同时，面向汽车电源管理的功率半导体产品也必须符合这些新HV要求，并且还需要利用驱动器IC和电源开关（其能够提供超过这些应用允许的最高电压的安全击穿电压）来实现100V+的高电压。真正希望采用节省燃料且环境友好的技术的半导体供应商需要基于专用高压半导体工艺和芯片平台的高压器件。高电压成了现代汽车电源管理产品必须具备的重要补充特性和发展趋势。高效HID车头灯就很好地说明了高电压如何逐渐取代乘用车车头灯内先进的12V灯泡，虽然它面临着一般采用较低电压技术的LED照明的竞争。

但是，现代节能汽车的发展不会随着内燃机的改善而止步。最终，像丰田这样勇于开拓创新且具有远见卓识的汽车制造商会开始改变汽车动力系，从而推动现代汽车的电气化发展。因此，混合动力汽车和纯电动汽车开始利用功能强大的电动机来减少内燃机的使用，甚至彻底取代之。为了满足内燃机的功率要求，需要采用高压技术来将电传动系统的电流保持在可接受的水平，同时产生几十到几百千瓦的电机功率。归根结底，这对于汽车内的高压芯片而言是一大突破。孤立的专门应用突然不复存在，取而代之的是一整个需要高压开关与驱动器IC且耗电高的芯片密集型动力系架构。连同混合或者电动动力系的技术挑战一起，高压器件突然成了关注的焦点，并且需要具备如下特性：效率高、稳定性高和价格极具竞争力以满足终端用户的预算要求。汽车向节能混合动力汽车方向发展还引发了先进汽车电源管理产品组合的发展与变革。电压要求不再仅仅局限于100V以内。现在，电压需要高达600V至1200V，其目前只被应用到重型工业电机驱动器和部分由110V或220V AC家庭电网供电的家用电器或消费类应用领域。

从汽车的角度来看，这种技术与架构变化发生得非常快；至少对于更注重技术的安全性、可靠性和稳定性而非快速创新或提早采用新技术的行业而言，它发生得很快。但是，丰田在混合动力汽车领域的成功、燃料价格的急剧上涨和更严格的排放法规让我们必须加快变革，对于需要赶上日本先进的创新型混合技术的美国和欧洲汽车制造商而言尤为如此。

国际整流器公司 (IR) 在采用这种方法为汽车行业实现高电压方面居于有利地位。公司已经有了非常可靠的、面向标准汽车的汽车产品组合，其采用获得专利的MOSFET和驱动器技术，适于标准14V应用，并且利用电压为40V与75V的智能电源和大电流IC技术满足了24V卡车市场更高的电压要求。同时，IR一直致力于工业和消费类市场，利用其高压技术为电机驱动、电源和其它专用HV解决方案实现了100V、200V、600V与1200V的电压。这让汽车团队能够立即采用高压芯片和封装技术，而这正是汽车市场内突然变得重要的新要求。

一般来说，将非汽车芯片和封装技术转变成质量目标为零缺陷现场故障率的稳定型汽车产品并不简单。但是，由于很早就从事上述HV应用，所以IR的汽车团队拥有丰富的经验。10多年来，IR汽车产品部一直与市场领先的一级汽车供应商合作开发压电燃料喷射，这让我们能够开发出高度稳定的高压驱动器技术和符合汽车质量与稳定性要求的车用电源开关。这种经验和大量的工业电机驱动器与电源产品组合让国际整流器公司的汽车业务部能够非常迅速地顺应汽车HV趋势和实现符合混合动力汽车市场要求与质量目标的稳定型汽车高压产品。 [page]

最终，我们的汽车产品组合（见图2）能够在很宽的电压与功率范围内满足节能汽车市场的要求。

至于IC，IR采用了获得专利的、内部开发与生产的混合信号芯片工艺，让我们能够为汽车的14V电网开发出电压高达40V的专用及通用驱动器IC解决方案。我们将这项智能功率IC技术扩展到75V范围，还满足了采用24V电池供电、能够经受更高电压的卡车市场的需求。对于电压高于100V的应用，我们采用另一项获得专利的高压混合信号模拟工艺来为用户提供电压高达1200V的专用IC（ASIC）和专用标准产品（ASSP）。这项技术对于采用集成式保护机制来驱动混合动力汽车的逆变器和DCDC转换器的智能驱动器IC解决方案而言至关重要。

利用这项高性能IC技术和当前的产品组合，IR提供了相应的电源开关来满足击穿电压要求。如图3所示，IR提供了电压范围为30V~300V的高性能MOSFET，其采用了高度稳定的平面技术以及具有领先RDSON和最佳开关性能的沟槽MOSFET解决方案。对于电压不低于300V的应用，我们提供了汽车高压开关 - IGBT（绝缘栅双极晶体管），我们可以利用它满足应用需求，从而在600V~1200V（或者两者之间的任何定制中间电压范围）的电压范围内实现低开关损耗或低导通损耗。

不幸的是，只有高性能芯片是不够的。同样重要的还有能够充分利用芯片性能优势的封装技术。IR的汽车产品组合重点采用无引线封装技术来解决当今汽车电源管理领域的某些重要挑战：

◆高效率
◆大载流能力
◆出色的机械和电气性能
◆低EMI和低寄生电感

因此，IR开发了先进的封装技术平台，即COOLiR2 TM，其囊括了各种封装解决方案，从分立无引线封装到更复杂的电源模块解决方案。

日本汽车制造商和供应商已经证明节能汽车的突破性转变与成功是可以实现的。IR的汽车团队致力于通过创新型半导体和封装产品组合来实现汽车架构领域的“发展与变革”，让汽车制造商、汽车系统供应商和汽车终端用户都能够从中受益，从而在保持驾车乐趣的同时，节约燃料，保护环境。