Автомобильный рынок развивается быстрыми темпами вот уже много лет. Современные авто оснащаются все более сложными электронными схемами, которые не только повышают комфорт водителя, но и безопасность. Защита окружающей среды – еще один важный фактор, влияющий на интенсивное развитие автомобильной промышленности. Правовые нормы по сокращению выхлопа, вредных продуктов сгорания и углекислого газа означают, что на дорогах появляется все больше электрических и гибридных автомобилей. Последние представляют собой переходную модель между традиционным и электрическим приводом, поэтому их охотно выбирают по всему миру. Чтобы повысить эффективность подачи питания в бортовую сеть, производители автотранспорта вводят новые методы гибридизации, такие как источник питания на 48 В.

Сеть 48 вольт в автомобиле

Среди производителей автомобилей, которые выбрали 48-вольтовые схемы, есть BMW, Mazda, Volkswagen, Jaguar, Land Rover, Daimler и Volvo. В автомобилях высокого класса это решение в основном используется для повышения комфорта вождения и эффективности электрических систем, например, в функции старт-стоп. Электродвигатель на 48 В прекрасно работает с двигателем внутреннего сгорания и, благодаря повышенному напряжению питания позволяет достичь более высоких крутящих моментов. Благодаря такому решению водитель получает большее ускорение без вибрации.

Все больше механических компонентов в автомобилях заменяется функционально эквивалентными электрическими решениями. Это обеспечивает большую гибкость, возможность регулировать производительность двигателей и насосов, а также более длительный срок службы. Блок питания на 48 В легко интегрируется в существующую 12-вольтовую систему во всех классах автомобилей и является первым шагом к полной электрификации и, следовательно, сокращению выбросов CO 2.

Еще одно преимущество введения 48-вольтового вспомогательного источника питания – это возможность обеспечить большую мощность для сильноточных приложений, таких как гидроусилитель руля, электронный турбонагнетатель и система контроля устойчивости. Другой пример сетевого применения 48 В – дизельный электронный катализатор, отвечающий будущему стандарту Euro 7.

Одно из основных автомобильных устройств, которые можно легко запитать от новой сети, – это стартер. Для работы требуется очень высокая выходная мощность со значениями от 5 до 30 кВт в непрерывном режиме и до 50 кВт при пиковой мощности. Для подачи и управления мощностью двигателя требуется инвертор с MOSFET-транзисторами в минимальной трехфазной конфигурации. МОП-транзисторы чаще всего подключаются параллельно, чтобы пропускать большие токи и уменьшать общее сопротивление и потери мощности.

Обязательным элементом установки в гибридных автомобилях на 48 В является преобразователь тока 12/48 В, обеспечивающий двустороннюю связь между обеими энергосетями. Максимальная мощность такого преобразователя достигает 3 кВт, но из-за высоких коммутационных потерь используются транзисторы меньшего размера, что обеспечивает высокий КПД> 95%. Силовые переключатели в корпусах меньшего размера с технологией затвора с низким уровнем заряда еще больше сокращают общее время коммутации.

Среди других систем, которые также могут питаться от 48-вольтовой сети, можно выделить: электронный компрессор, электронная подвеска, кондиционер и вентилятор радиатора. В этих решениях необходимо обеспечить компактную форму устройств, поскольку пространство для установки часто ограничено.

Полевые МОП-транзисторы на 48 В

На автомобилях со стандартным источником питания на 12 В имеется много схем, в которых используются силовые транзисторы. Самая большая группа – это бесщеточные двигатели постоянного тока для устройств большой мощности, например рулевого управления с электроусилителем, стартера, компрессора или вентилятора радиатора, а также в системах с низким энергопотреблением, таких как управление сиденьем, окном, стеклоочистителем или магнитола. Транзисторы, используемые для источника питания 12 вольт, в основном являются версиями на предельное напряжение 40 вольт. Переход на 48 В требует использования элементов с напряжением пробоя 80 – 100 В.

В течение многих лет на рынке присутствует множество полевых МОП-транзисторов в традиционных корпусах, таких как DPAK, D2PAK или TO-220. Их использование в 48-вольтовых схемах все еще возможно, но получение оптимальных параметров и удовлетворение растущих требований затруднено.

Корпуса более старых типов, с точки зрения сегодняшних тенденций и растущих потребностей электроавто, часто имеют слишком высокое сопротивление подключения, большие паразитные индуктивности и размеры, что может быть неэффективным выбором. Рыночная тенденция явно нацелена на более компактные, эффективные и высоконадежные версии.

Предложение Infineon в области MOSFET-транзисторов с напряжением пробоя 80 и 100 В включает различные современные варианты корпусов с разными решениями контактных полей и термоконтактов, отвечающие требованиям передовых автомобильных устройств и соответствующие потребностям клиентов. Хорошим примером будут три типа неизвлекаемых корпусов из группы TOLx: TOLL (TO-Leadless), TOLG и TOLT.

TOLL – это версия с размерами 10 х 12 мм и максимальной нагрузочной способностью контактов до 300 A. Полевые МОП-транзисторы в корпусе TOLL имеют лучшее в своем классе, самое низкое проводящее сопротивление на рынке – максимум 1,2 мОм. Версия на 80 В и 1,5 мОм для 100 В. Это идеальный выбор для требовательных устройств с напряжением 48 В, таких как стартер, преобразователь 12/48 В или электрический компрессор переменного тока.

Они выполнены по безвыводной технологии с низкими паразитными значениями индуктивности. Стоит обратить внимание на то, что корпуса демонстрируют отличную долговечность в ходе экологических испытаний, таких как TCoB (температурный цикл на плате).

В стандартном виде FR4 все корпуса MOSFET обеспечивают отличную долговечность, намного превосходящую IPC9701 и требования заказчиков. Испытания широко используемой 6-слойной подложки FR4 подтвердили термомеханическую надежность корпусов TOLL, которые прошли без сбоев 10000 циклов, что на сегодняшний день превышает все известные требования.

Помимо FR4, также используются другие основания. Примером является IMS (изолированная металлическая подложка) с алюминием. В результате различий в тепловом расширении составляющих материалов, в основном меди и алюминия, быстрые изменения температуры приводят к повышенным напряжениям в местах соединения корпуса полевого МОП-транзистора с подложкой, что может привести к трещинам в паяных соединениях и ухудшению электрических и термических характеристик.

Для таких подложек разработана специальная версия корпуса TOLG. Он похож на корпус TOLL, но имеет дополнительные штыри для контактов истока и затвора. Дополнительные контактные площадки обеспечивают большую гибкость и снижают возникающие напряжения, тем самым повышая надежность применения. MOSFET-транзисторы в корпусах TOLG доступны в версиях на 80 В и имеют те же электрические параметры, что и их эквиваленты TOLL.

Верхнее охлаждение чипов

В автомобильной промышленности важной задачей является правильное рассеивание выделяемого тепла. Из-за высокой выходной мощности это также имеет большое значение в 48-вольтовых системах, поэтому желательны любые альтернативные решения корпуса, обеспечивающие повышенную плотность мощности.

Для таких применений корпуса TOLT подготовлены с открытым тепловым контактом вверх. Это решение позволяет установить радиатор непосредственно на корпус транзистора, что значительно сокращает путь теплового потока и повышает КПД тепловой системы примерно на 20%.

Помимо преимуществ увеличения мощности, решение TOLT снижает количество тепла передаваемого непосредственно плате, что позволяет использовать более дешевую плату с более низкими температурами. Кроме того, нижняя свободная сторона подложки может использоваться для размещения других элементов схемы.

Чтобы изолировать радиатор от контакта со стоком, используются теплопроводящие материалы, такие как TIM (Thermal Interface Material). Одной из самых больших проблем в достижении наилучших тепловых характеристик является оптимизация их толщины, то есть использование максимально тонкой прокладки, что обеспечивает эффективную теплопередачу и адекватную электрическую изоляцию.

Для обеспечения оптимальной толщины материала допуски по высоте корпуса TOLT сведены к минимуму. Кроме того, Infineon использует немного приподнятые провода, так что корпус может располагаться ровно, прямо на плате и не подниматься проводами.

Во время сборки припой заполняет пространство между контактными площадками и выводами, что компенсирует их первоначальный подъем. Кроме того, выходное отверстие корпуса TOLT не покрыто лужением, что позволяет избежать образования неровного слоя припоя в процессе пайки.

Скрытые в плату компоненты

Разрабатываются решения, в которых структуры микросхем встраиваются в печатную плату – так называемые скрытые микросхемы. В таком решении кремниевый транзисторный кристалл устанавливается на толстую медную монтажную рамку и заделан между слоями текстолита.

Снизу рамка обеспечивает прямой контакт с радиатором и отвод тепла. Сверху электрическое и тепловое соединение осуществляется через переходные отверстия. Такая конструкция позволяет снизить тепловое сопротивление и достичь максимальной эффективности для 48-вольтовых схем.

Толстая медная подложка помогает термически стабилизировать схему и значительно снизить тепловое сопротивление при нагрузке транзистора высокими пусковыми токами.

В технологии скрытого кристалла контакты заменяются медными переходными отверстиями, которые покрывают почти всю поверхность источника. Это способствует не только снижению теплового сопротивления, но и общего сопротивления транзистора Rds (ON) в открытом состоянии. По сравнению с полевыми МОП-транзисторами в корпусе TOLL, скрытые транзисторы увеличивают мощность примерно на 35%.

Но более высокая удельная мощность и лучшие тепловые свойства – не единственные их преимущества. Такие соединения имеют низкую самоиндукцию, что снижает паразитные эффекты и электромагнитные помехи. Это обеспечивает более быструю коммутацию и сокращение количества пассивных компонентов, необходимых для гашения колебаний и сдвигов.

Низкие индуктивности встроенных полевых МОП-транзисторов снижают перенапряжения, которые появляются на наклонах коммутируемых сигналов, и поэтому в 48-вольтовых системах, таких как стартер или турбонагнетатель, можно использовать технологию пробивного напряжения 80 В. Эта особенность дополнительно снижает значение Rds (ON).

Проведенные измерения показали, что по сравнению с 80-вольтовым MOSFET в корпусе TOLL на плате с тяжелой медной вставкой, скрытая версия обеспечивает на 30% меньшее сопротивление Rds (ON), на 30% лучшее тепловое сопротивление, на 80% ниже индуктивность и на 35% больше общей выходной мощности.

Помимо отличных электрических и тепловых параметров, скрытые в плате полевые МОП-транзисторы демонстрируют отличное качество, сохраняющееся на уровне других автомобильных продуктов. Кроме того, их надежность повышается за счет замены проводов на медные переходные отверстия и крепления конструкции к толстой медной вставке вместо печатной платы из классического решения.

По сравнению с гибридными решениями, где микросхемы устанавливаются на керамическую подложку, скрытые версии легче собирать и, следовательно, они менее подвержены повреждениям. А из-за невозможности интегрировать схему управления с силовым каскадом в единую систему, гибридное решение с керамической подложкой дополнительно усложняется.

Первыми устройствами для скрытых полевых МОП-транзисторов являются автомобильный стартер на 48 В, преобразователь постоянного тока 12 В / 48 В и система управления батареями 48 В. Первым применением новой технологии стала компания Continental, чей 6-фазный инвертор с водяным охлаждением и двигатель, использующий 80-вольтовые транзисторы по технологии OptiMOS 5, обеспечивает выходную мощность более 20 кВт.

Кроме мощных систем, также имеются транзисторы и под другие 48-вольтовые схемы, которые не требуют высокой выходной мощности, например насосы, вентиляторы или нагреватели. Доступные технологии – это транзисторы на 80 – 100 В в версиях с меньшими корпусами SSO8 5 х 6 мм и S3O8 3,3 х 3,3 мм.

Так что возможности питания автосхем от 48 В очень велики. Прогнозы предсказывают, что количество 48-вольтовых систем резко возрастёт в ближайшие годы. Ожидается что к 2025 году их число увеличится более чем в 6 раз, что сделает питание 48 В не только интересным, но и важным на автомобильном рынке.