汽车功率器件的热管理

热管理包括与电子设备和电路中产生的热量的产生、控制和消散相关的所有技术解决方案。每个电子元件在其运行过程中都会产生一定量的热量，这会对元件本身的性能和可靠性产生负面影响。由于每个电子行业都倾向于尽可能减小封装尺寸，随之而来的散热问题使情况变得更加复杂。半导体的结温应保持在制造商设定的限制以下；否则，可靠性和元件寿命都会受到影响。

热管理挑战

热管理策略应该应用于任何能够产生热量的电子设备。在汽车行业，由于极端温度和冷热交替，这一方面对于保证高水平的可靠性和安全性至关重要。电子设计师面临的最大挑战之一是重现或模拟最严酷的工作条件，即电子设备承受高热应力的条件。这项任务通过使用计算流体动力学 (CFD) 模拟软件来促进，该软件简化了大功率电子设备的开发。汽车功率器件热管理的主要挑战是高功率密度、恶劣的环境条件、产品小型化和成本降低。应采取适当措施解决热管理问题，从传统的（散热器、热管和风扇）到更具创新性的（制冷剂冷却、紧凑型换热器、微型热电冷却器、相变材料、冷板冷却）。热管理的最新趋势是通过开发纳米技术和智能材料等先进解决方案，从单相传热技术转向多相传热技术。

汽车应用

安装在车辆上的电子设备的数量、价值和复杂性不断增加。这使得功率器件的热管理变得更加困难，同时也变得更加重要。乘客舱内散热最高的动力设备包括热通风和空调 (HVAC)、无线电和信息娱乐系统、仪表板、仪表和平视显示器。乘客舱外的动力设备包括发动机控制单元 (ECU)、制动系统控制单元和不同类别的传感器。这些设备带来的主要挑战涉及发动机舱内达到的高工作温度，环境条件在非常广泛的值范围内变化，以及适用于汽车行业的标准所施加的非常严格的要求。电子设备，尤其是安装在乘客舱外的电子设备，通常是密封的，以防止湿气进入：这方面使冷却变得更加复杂，这仍然仅限于基于传导和对流的技术。发动机罩内的电子元件暴露在高温下，散热问题也与非常小的占地面积有关。混合动力 (HEV) 和电动 (EV) 汽车的日益普及使电动机和电池所需的冷却需求脱颖而出。涉及的功率水平相当高，这也取决于车辆的“电气化”程度。在“全混合”车辆中达到最高功率值，功率值高于 15kW，电压高于 100V。因此，有必要使用基于使用散热器、热交换器和电动泵进行液体冷却的先进冷却技术。

在 HEV 和 EV 车辆中，电力电子设备执行相关任务，例如控制电动机、与电子控制单元通信和诊断。除了 ECU 之外，其他典型组件还有逆变器和一个或多个 DC-DC 转换器。为了使功率器件保持在推荐的温度范围内，它们应连接到车辆的冷却/加热系统。用于液体冷却的热交换器和电动泵。在 HEV 和 EV 车辆中，电力电子设备执行相关任务，例如控制电动机、与电子控制单元通信和诊断。除了 ECU 之外，其他典型组件还有逆变器和一个或多个 DC-DC 转换器。为了使功率器件保持在推荐的温度范围内，它们应连接到车辆的冷却/加热系统。用于液体冷却的热交换器和电动泵。在 HEV 和 EV 车辆中，电力电子设备执行相关任务，例如控制电动机、与电子控制单元通信和诊断。除了 ECU 之外，其他典型组件还有逆变器和一个或多个 DC-DC 转换器。为了使功率器件保持在推荐的温度范围内，它们应连接到车辆的冷却/加热系统。

商业级解决方案

汽车应用要求功率器件符合该领域设想的可靠性和安全标准，例如 AEC-Q100 和 AEC-Q101。英飞凌科技在为汽车市场开发和制造电子元件方面拥有 40 多年的经验，拥有满足每个汽车领域需求的大量半导体选择。临时文件，特别是通过其温度传感器提供第一级温度和电流保护。温度传感器可在外部引脚上使用，可实现直接门访问和灵活的温度响应控制。图 1 显示了 Tempfet 器件的简化框图，该器件能够在高达 1 MHz 的开关频率和扩展温度范围（-40°C 至 +175°C）下运行。

图 1：英飞凌 Tempfet 器件的框图

STMicroelectronics拥有广泛的功率器件产品组合，适用于汽车应用。其中包括PowerFLAT系列汽车功率 MOSFET，采用微型 5x6mm 双面冷却 (DSC) 封装。新型 MOSFET（封装如图 2 所示）可提高汽车电子控制单元 (ECU) 的功率密度，是适用于汽车电机控制应用、电池反向保护和高性能电源开关的 40V 器件。0.8 毫米高的 PowerFLAT TM  5×6 DSC 保留了标准封装的占位面积和热效率底部设计，同时暴露了顶部源电极以进一步增强散热，简化热管理。

图 2：ST PowerFLAT MOSFET

安森美半导体拥有全面的创新节能功率器件产品组合，提供NVG800A75L4DSC，这是一款 750V-800A 功率模块，具有双面冷却和紧凑的占地面积，适用于混合动力 (HEV) 和电动汽车 (EV) 牵引逆变器应用。该模块由两个采用半桥配置的窄台面场截止 IGBT 组成。提供双侧液冷散热器参考设计以及完整的逆变器套件 (NVG800A75L4-EVK)，以简化设计。

审核编辑：刘清