功率元器件智能化，车载IPD性能提升需求上涨

电子发烧友网报道（文/李宁远）在以前的ECU中，大多数将继电器用作驱动电路中的开关元件，后来这种机械继电器开始向半导体开关转换。并且这一趋势迅速席卷了整车各个应用，尤其是在电机和加热器控制应用中。
 
智能功率元器件，IPD，Intelligent Power Device，是一种单片功率IC，在单一芯片上集成了输出阶段的功率MOSFET或IGBT以及控制输出阶段的一个电路。IPD具有紧凑、轻量和功率高效的特点，且不受接触磨损限制，从而形成带自保护功能的高度可靠系统，在汽车电子中有着广阔的应用空间。
 
高压IPD与低压IPD
 
所谓智能功率元器件，这类器件可代替人工来完成复杂的功率控制，因此它被赋予智能的特征。常见的保护功能有我们熟悉的欠电压保护、过电压保护、过电流及短路保护、过热保护等。此外，在某些智能功率器件中还具有输出电压过冲保护、瞬态电流限制、软启动和最大输入功率限制等保护电路，可以大大提高系统的稳定性与可靠性。根据罗姆给出的数据，目前IPD在工业市场上规模已经达到了约2.18亿美元，在车载市场上的需求量也是日益增长，年增长幅度超过7.3亿美元。
 
IPD也有高压与低压之分，车用、工业用的低压IPD又分高边与低边，高边IPD是位于电源和负载之间的开关，低边IPD位于负载和GND之间。低压IPD在正常工作、过流工作、热关断状态以及开路状况下会有不同的工作真值。检测到异常情况，IPD诊断功能会驱动DIAG端为高电平或低电平。当过流保护、热关断或开路负载检测跳闸时，会发出异常情况信号。通过MCU或逻辑电路处理输入并诊断输出信号，可识别IPD中的异常情况。
 
高压IPD专门用于驱动BLDC电机，高压IPD通过霍尔效应器件、霍尔效应传感器和一个控制IC接收控制信号。高压侧器件的栅极驱动IC需要非常高的电压，此电压等于高压电源和栅极－源极电压之和。由于低压侧控制信号不能直接驱动高边栅极驱动IC，因此高压IPD需要配一个电平转换驱动IC来控制信号从低压电路传输至高压电路。高压IDP可以配合与高压兼容的小型贴片式封装进一步减小安装面积，比如东芝的智能功率高压IPD系列采用的SSOP30和HSSOP31封装，该系列的高压IPD也采用新的高击穿电压SOI工艺进一步降低了损耗。
 

高压IPD，东芝

 
IPD的低导通电阻与高散热能力
 
如同其他功率器件，IPD的导通电阻和散热能力一直是相互制约的，想要实现更低的导通电阻和更高的散热能力想要居中权衡，尤其是在IPD现在小型化的趋势下，实现低导通电阻和高散热能力愈发困难。
 
近期罗姆面向引擎控制单元和变速箱控制单元等车载电子系统、PLC等工业设备，开发出40V耐压单通道和双通道输出的8款IPD通过独家的TDACC工艺在导通电阻和散热上实现了较好的平衡。
 

罗姆

 
罗姆的工艺可以将沟槽MOS和CMOS集成在同一芯片当中，这有利于降低导通电阻，而TDACC技术可以让IPD产品具有热分散式有源钳位电路。简单来说在正常工作时，TDACC使得流过电流通道多实现低导通电阻，但是在有源钳位功能发挥作用的时候，TDACC通过电路控制使得工作的栅极变少，以此实现高的散热能力。而在封装上，罗姆则根据功率器件散热性要求开发了固晶材料，在封装上保证IPD良好的散热性。
 
小结
 
良好的导通电阻特性有利于IPD在启动时可能发生故障的应用里发挥更有效的作用，通过低损耗技术和新制造工艺进一步降低损耗值并保证散热性，能大大提高器件可靠性拓展IPD在汽车电子中的应用，提升整车的器件保护性能。