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[分享] 利用功率半导体提高汽车效率

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发表于 2015-9-29 20:54:58 | 显示全部楼层 |阅读模式
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利用功率半导体提高汽车效率

利用功率半导体提高汽车效率

        随着新能源汽车和电动汽车的普及,功率半导体逐渐成为主流元件和很多汽车系统的中心。因此,重视优良半导体封装的价值很重要。
        不管是政府出台了越来越严厉的汽车排放法规,还是燃油价格的上升让消费者更倾向于节能汽车,都体现出了一种信息,那就是在未来的汽车发展中,效率很重要。
        那么,提高效率和功率半导体之间有何关系呢?以下我们来看一个典型的例子——汽车上的前散热器风扇。前散热器风扇的两种控制系统框图如图1和图2所示。图1是传统解决方案,它由1个与电阻并联的开关组成。图2是功率半导体解决方案,采用了PWM控制功率半导体提高效能。两者之间的最大差别在于效率:图1中,当开关断开时,风扇在低速模式下运行,电流受电阻控制,从而导致电阻以热的形式消耗110W左右的功率;而图2中采用的PWM开关仅消耗13W左右的功率。这样一对比,数值差距就非常可观了。
        因此,通过本例我们看到,切换至基于智能电源开关(受保护的MOSFET)的功率半导体解决方案可以提高燃烧效率。并且,变速控制实现了风扇的软启动和软停止,从而降低了系统噪声和振动,还有助于延长机械寿命。IPS还整合了电流感应、过流和过热保护,因此如果风扇发生了故障,系统就会自动关断来防止造成进一步的损失。
        电源组提高半导体性能
        通过上面的例子我们清晰地了解了功率半导体解决方案对能源使用效率的提升。那么,如何开发出更优质的半导体,传统上都认为是半导体本身。但是,随着芯片的改进,我们需要考虑价值链的剩余部分,特别是电源组。
        考虑MOSFET时,通常使用的品质因数(RDS(ON))由两部分组成:MOSFET晶片的导通电阻和封装电阻,两者之和即为RDS(ON)。图3表明了不同类型的电源组的无晶片封装电阻(DFPR)。采用D2Pak封装的40V MOSFET的RDS(ON)约为1mOhm,从图3中可以看出封装电阻占据了实际值的一半左右,产生这种封装电阻的主要原因是连接外界和芯片的焊丝。
       

利用功率半导体提高汽车效率

利用功率半导体提高汽车效率

        为了打破这种局限性,国际整流器公司开发了DirectFET封装,这种封装没有焊丝,DFPR约为150μOhm,比D2Pak低70%。
        无焊丝的优势
        除了降低了通态损失和减少了获得给定RDS(ON)所需的芯片数量以外,消除焊丝还具有其他优势。通过消除小焊丝,封装的寄生电感只有传统封装的1/10左右。这样就能够以更少的振铃、更高的效率和更低的EMI更快速地切换MOSFET了。
        在这一点上,值得注意的是,理想的功率半导体封装必须能够让电流自由流动,并且封装还必须以最少的限制让热量流出封装。幸运的是,消除焊丝的另一个优势就是改善了封装的热力循环。在传统封装中,焊丝放在晶片顶部的空隙内;而在DirectFET中,没有焊丝则意味着可以去除这个空隙,从而创造了一条穿过封装顶部的散热通道。这样,就可以利用几种方法让器件得到有效冷却,要么像传统D2Pak或DPak那样通过封装底部散热,要么通过封装顶部或同时通过器件的顶部和底部散热。后者让到环境的总热阻比D2Pak低了一半。
       

利用功率半导体提高汽车效率

利用功率半导体提高汽车效率

        图4  在DirectFET和D2Pak功率MOSFET上实现双面冷却时结到环境的热力循环对比

        如图4中所示,DirectFET和D2Pak采用相同的机械装置,以便通过封装的两边加快冷却。当然,D2Pak从未打算从顶部冷却,所以与DirectFET的热阻(1.2℃/W)相比,穿过封装顶部的热阻(RthJ-TOP)很高,为85℃/W。这里得出的第一个结论是DirectFET可以从封装顶部冷却,这本身就提供很大的灵活性,让系统的功率级能够放在PCB的背面并通过外壳冷却。这有两大优势:首先,它为其他电路释放了PCB正面的空间;其次,与其他任何SMD电源组不同,散发的热量不必穿过PCB,即可到达散热器。这有助于冷却电路板和提高效率。
        但是,图4再深入一步。为了实现最佳的功率密度,可以同时从封装顶部和底部冷却DirectFET。当两条散热通道并联时,DirectFET上到环境的热阻约为8.1℃/W,刚好低于D2Pak热阻的一半。与小封装占位面积结合,就能够实现出色的功率密度。
        结语
        随着新能源汽车的普及,功率半导体逐渐成为主流元件和汽车系统的中心。因此,重视优良半导体封装的价值很重要,因为封装最终在开关和元件之间传导电流并让热量自由流出,以便冷却系统并让其高效运转。
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