电动汽车中 MOSFET 需求与 Nexperia 方案

汽车 2024-12-08 08:30 上海

芝能智芯出品

电动汽车的渗透率提升，对于功率电子的需求是不断提高的，MOSFET 作为关键的功率半导体器件，在电动汽车的各个系统中发挥着至关重要的作用。

我们根据 Nexperia 的材料，来探讨电动汽车对 MOSFET 的需求，对Si、SiC和Gan产品特性、技术优势以及应用案例的研究，对未来发展趋势进行展望。

Part 1

电动汽车

对 MOSFET 的需求分析

在电车中主要包括的内容是高功率密度与高效率，围绕动力系统和充电需求的要求。

● 动力系统需求：电动汽车的动力系统，包括电机驱动和电池管理，需要处理高电压和大电流。例如，在电机驱动中，MOSFET 负责将电池的直流电转换为交流电，驱动电机运转。

为了实现高效的电能转换，降低能耗，提高续航里程，MOSFET 必须具备低导通电阻（RDS (on)）和快速开关速度，以减少功率损耗，提高功率密度。

● 充电系统要求：车载充电器（OBC）和快速充电桩也依赖 MOSFET 进行功率转换。快速充电技术的发展对 MOSFET 的性能提出了更高要求，需要其能够在高频率下工作，以实现更小的体积和更高的充电效率。

电动汽车在运行过程中，MOSFET 会面临高温、高湿度、强烈震动等恶劣环境条件。特别是在电机控制和电源转换模块中，长时间的高负载运行会使 MOSFET 产生大量热量，因此它需要具备良好的散热性能和热稳定性，确保在高温下仍能可靠工作，防止因过热导致的性能下降或故障。

电动汽车的使用寿命通常较长，MOSFET 作为关键部件，需要具备高可靠性和长寿命，以减少维护成本和提高整车的可靠性。这要求器件在长期使用过程中，参数漂移小，能够稳定运行。

在电动汽车的复杂电气系统中，瞬间的电压尖峰和电流浪涌可能会损坏 MOSFET。例如，在车辆启动和制动过程中，电池系统会产生较大的电流变化，因此 MOSFET 需要具备有效的过压和过流保护机制，如内置的二极管、电阻等元件，能够快速响应并保护器件免受损坏。

一旦发生短路故障，MOSFET 应能迅速切断电路，防止故障扩大，确保车辆的电气安全。这需要器件具有快速的短路检测和响应能力，以及足够的短路承受能力。

为了提高电动汽车的空间利用率，降低整车重量，MOSFET 需要朝着小型化和集成化方向发展。例如，在电子控制单元（ECU）中，多个功能模块集成在一起，要求 MOSFET 体积小、功耗低，以便在有限的空间内实现更多的功能。

高度集成化的 MOSFET 有助于简化电动汽车的电子系统设计，减少外部元件数量，提高生产效率，降低成本。同时，也有利于提高系统的可靠性和稳定性，减少因连接点过多导致的故障风险。

Part 2

Nexperia 解决方案细节

Nexperia 提供了广泛的 MOSFET 产品系列，涵盖不同电压等级（如 40V、60V、80V、100V 等）和封装形式（如 LFPAK、DPAK、TO247 等），以满足电动汽车各种应用场景的需求。

例如，LFPAK 系列封装具有低电感、低电阻和高功率密度的特点，适用于对空间和性能要求较高的应用，如电机驱动和 DC-DC 转换；而 TO247 封装则适用于高功率应用，如车载充电器和逆变器。

针对电动汽车中的关键应用，如电子燃油喷射、电动助力转向（EPS）、电池管理系统（BMS）等，Nexperia 推出了应用特定型 MOSFET（ASFETs）。

这些产品在参数上进行了优化，以提供更好的性能。例如，在 EPS 系统中，需要高电流瞬态鲁棒性的 MOSFET，Nexperia 的产品能够满足这一要求，确保系统在快速转向等工况下稳定运行。

LFPAK 系列采用铜夹技术，实现了低封装电感和电阻，具有高电流瞬态鲁棒性。其灵活的引脚设计提高了可靠性，低热阻有助于散热，暴露的引脚便于光学检测。

例如，与传统封装相比，LFPAK88 在相同尺寸下能够提供更高的功率密度，适用于对功率要求较高的应用，如电动汽车的动力系统。

CCPAK 封装专为氮化镓（GaN）器件设计，具有极低的电感（比传统线键合封装低 3 倍），可降低开关损耗和电磁干扰（EMI）。

其底部和顶部冷却选项提供了良好的散热性能，高电流额定值和高可靠性使其适用于高功率密度应用，如电动汽车的充电器和逆变器。

在这里我们可以区分不同面向对象，高性能材料与技术包括Si和WBG两类。

● 硅（Si）MOSFET 技术优化：Nexperia 的硅 MOSFET 通过优化设计，实现了低导通电阻、高开关速度和高可靠性。例如，其汽车级 MOSFET 产品在保证性能的同时，满足了汽车行业严格的 AEC-Q101 可靠性标准，可在恶劣环境下稳定工作。

● 宽禁带半导体（WBG）材料应用探索：除了硅 MOSFET，Nexperia 也在积极探索碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等宽禁带半导体材料在电动汽车中的应用。

SiC MOSFET 具有高击穿电场强度、高热导率和高电子饱和漂移速度等优点，适用于高压、高温和高频应用场景，如电动汽车的主逆变器和车载充电器；GaN FET 则在高功率密度和高效率方面表现出色，特别是在低电压、高频率应用中具有潜力，如 DC-DC 转换器和车载充电器中的部分功能模块。

Nexperia 不仅提供单个 MOSFET 器件，还提供针对电动汽车不同系统的完整解决方案。例如，在电池管理系统中，除了 MOSFET，还包括 IGBT、二极管、栅极驱动器等相关组件，以及相应的电路设计和系统集成方案，帮助汽车制造商简化设计流程，提高系统性能和可靠性。

为客户提供丰富的技术支持，包括应用笔记、设计指南、仿真模型等，帮助工程师快速进行产品选型和电路设计，Nexperia 与汽车制造商密切合作，根据客户需求进行定制化设计，共同推动电动汽车技术的发展。

在某电动汽车的车载充电器中，采用了 Nexperia 的 MOSFET 和相关组件。

通过使用 CCPAK 封装的 GaN FET，实现了高功率密度和高效率的充电功能。充电器在不同输入电压和负载条件下，均能稳定工作，充电效率提高了 10% 以上，同时体积减小了 30%，有效节省了车内空间。

EPS 系统中采用了 Nexperia 的 LFPAK 封装 MOSFET，其高电流瞬态鲁棒性确保了在转向过程中电机的稳定驱动。系统响应速度更快，转向更加精准，同时降低了能耗，提高了整车的能效。

在 BMS 中，Nexperia 的 MOSFET 用于电池均衡和保护电路。通过精确的电流控制和高可靠性，确保了电池组中各个电池单元的一致性和安全性，延长了电池的使用寿命，提高了电池系统的整体性能。

当然MOSFET层面，成本压力仍然较大，特别是对于高性能的宽禁带半导体器件；

● 技术标准尚未完全统一，不同制造商和车型之间的兼容性有待提高；

● 以及供应链的稳定性和可持续性面临考验。通过技术创新降低成本，积极参与行业标准制定，优化供应链管理，确保产品的稳定供应。

小结

MOSFET 将朝着更高性能、更小尺寸、更低成本的方向发展。宽禁带半导体材料（SiC 和 GaN）的应用将逐渐普及，特别是在高压、高功率和高频应用场景中，系统集成度将进一步提高，多功能、一体化的功率模块将成为趋势。

芝能汽车

之前是汽车电子设计，现在2024在芝能汽车，紧跟技术创新，助力行业发展。

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