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      發動機IGBT和MOSFET技術 提高燃油效率

      發布日期:2007-11-29 | 行業動態

         高度集成的IGBT點火模塊給汽車電子半導體廠家帶來的首要挑戰是熱管理。飛兆半導體是點火IGBT排名第一的供應商,市場占有率超過30%,郭裕亮說:“伴隨著汽車復雜性增加而出現的潛在應用或產品故障,IGBT需要具有更強的容錯性或自我保護功能。而隨著新興應用對硅片容量和功率的需求不斷提高,所有功率器件都會產生熱量,為了減少熱量的產生,要采用具有較低傳導損耗或開關損耗的器件?!?

         IGBT和MOSFET市場增長預測

         除了熱管理之外,英飛凌科技(中國)有限公司汽車、工業及多元化電子市場部高級市場經理李立揚說:“汽車引擎在燃燒的過程中會發生震動,這些高頻震動的頻率很高,乘客通常無法察覺,但是,任何機械或電氣連接都能夠感知到。因此,首先要改善功率半導體器件的連接工藝,特別是IGBT功率模塊?!彼麖娬{,對汽車點火IGBT的可靠性和品質要求很高,通常要達到長于汽車本身的壽命。

         郭裕亮指出,隨著傳統的分立產品正被集成式模塊或多芯片器件所取代,以滿足減少熱量和占位面積的需求,為這些集成器件提供較高密度的封裝以實現更小的功耗是IGBT器件或模塊設計面臨的挑戰。為此,飛兆半導體提供名為EcoSPARK的第四代點火IGBT?!拜^之其它點火IGBT,該產品能夠在更小的面積中處理更多能量。芯片面積的減少、再結合電流感測IGBT,能夠在很小的TO263占位面積中提供更多的控制、更高的性能及更好的保護?!惫A琳f道。

         郭裕亮:過去幾年汽油機缸內直噴應用的IGBT數量增加了4至5倍。此外,飛兆半導體IGBT的其它應用還包括燃燒引擎或柴油引擎控制,以及混合電動汽車的高電壓和大電流的交流電機驅動系統的應用設計?;旌想妱悠嚮驓潋寗悠囈揽恳粋€電機作為車輛的主要驅動力,因而需要相當大的功率和極低傳導損耗的IGBT?!帮w兆半導體為HEV提供了IGBT、二極管和MOSFET,并正在開發新一代穿透型槽式IGBT,能實現更低的功率損耗(產熱更少)來滿足這種新興電動汽車的應用需求,”郭裕亮強調說:“新一代IGBT將為汽車設計人員帶來更低的傳導損耗和開關損耗?!?

         在減小IGBT損耗領域,英飛凌公司先后推出了FS-IGBT和TS-IGBT(溝槽柵場終止)技術。最新的TS-IGBT技術覆蓋了600V到1200V系列IGBT,在該技術中溝槽柵與場終止層(field stop)概念結合起來,減少了載子聚集在溝槽柵附近引起的導通損耗。場終止層由附加的n型摻雜層植入晶圓的背面制作而成。將這種場終止層與襯底晶圓的經增強的電阻率結合在一起,就可以把相同耐壓的IGBT芯片厚度減少大約1/3。李立揚說:“最終使導通損耗減少30%,關斷損耗降低25%。采用該技術的600V IGBT3可以在最大結溫為175度時提供200A的電流?!?br />  

          隨著智能型IGBT集成度的提高,安森美半導體首席應用工程師Klaus Reindl說:“在IGBT芯片中集成額外電路的條件是與已有元件兼容,并且不改變其優化的IGBT結構。目前,已集成的功能有溫度感測和電流檢測。這兩種檢測功能的缺陷是需要更多的連接,且不能使用高容量、高性價比的3端電源封裝?!?Reindl認為,最佳的解決方案是采用一個優化的、非智能IGBT和一個線性雙極性或LinCMOS智能預驅動器,作為MCU和IGBT之間的接口來提供駐留保護和控制特性。例如,Zetex半導體公司用SOT236封裝的NPN和PNP復合晶體管制成的ZXTC2045E6,就能提供電源中高功率MOSFET和IGBT所需的驅動能力。
       
         目前,采用專用點火IGBT實現的全引擎管理系統具有更加緊湊、精確和控制可靠的特點。但是,飛兆半導體公司汽車應用和市場發展高級經理Jim Gillberg提醒說,點火系統從單一雙極達林頓晶體管演化成每個汽缸使用一個點火IGBT后,器件成本問題就開始凸顯出來?!案倪MIGBT的成本/性能比的方向是在相同電氣性能的前提下,減少硅片的面積和封裝體積,與此同時,增加系統的功能并改善性能?!彼硎菊f,“我們的點火IGBT通過一種稱為“PQFN”的封裝技術,將控制芯片和IGBT封裝在一起,控制芯片在物理上與IGBT隔離,從而避免這兩個器件相互影響,這種新的多芯片封裝技術提供更具成本效益的組件,能應付惡劣的汽車應用環境且可靠性高?!?

         吉利發動機的林輝部長說:“汽油機缸內直噴控制系統正是采用了先進的IGBT模塊,才極大地提高了燃油效率?!蹦壳?,博世的多點順序汽油噴射智能點火控制模塊已經廣泛用于中國生產的汽車之中。隨著汽油發動機由傳統的電控多點燃油噴射向多點順序噴射的轉移,用于汽車點火控制的IGBT器件市場有望高速增長。isuppli預測汽車IGBT市場有望以17.2%的年復合增長率高速發展(圖1),位居汽車電源管理器件之首,MOSFET市場增長據其次。

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