图1  NTD6415ANL的导通区域特性曲线

功率半导体技术的进步，不仅使OEM厂商可以满足消费者对提升汽车性能的需求，同时获得了更高的燃油效率，并减少了废气排放。

当今的汽车行业迫切需要提供更高的燃油经济性，相关推动因素包括石油价格上涨，以及人们对环境的顾虑更加强烈。为了抑制污染等级，美国环保署（EPA）已经制定标准，要求从2012年开始，各类汽车的温室气体排放每年减少5%。与此同时，OEM厂商仍然需要满足客户在性能方面的期望。这就要求他们的工程团队能够提供更多的创新解决方案。将每滴燃油的效率最大化，是如今每家OEM厂商都不能忽略的因素。本文中将探讨最新车型采用的一种可以提高燃油效率的方法——新型燃油供给系统。

燃油供给系统的发展

汽车中使用的燃油供给系统过去30年来已经发生了很大改变。最初，这些系统在本质上是机械系统（使用化油器来混合燃油与空气，然后将其引入发动机），不需要电子电路。早期的喷油系统通常包含一个喷射器，将燃油提供给源自歧管的上行气流。这些系统要求相对简单的电子控制来工作。此后，单点喷射系统被更先进的多点喷射系统替代，而在多点喷射系统中恰当布置喷射器，从而在邻近各个气缸进气阀的位置将燃油提供给气流。这些系统支持更好地计量燃油，但也要求复杂的电子控制机制。

当代发动机设计已开始采用直接喷射技术。这种技术是将燃油直接引入到气缸中，而非预先在外部混合空气。这种技术有着明显的优势，它支持更加精确地控制使用的燃油量及喷射时序，因而增大汽车的功率，同时降低燃油消耗量。OEM厂商由于应用直喷技术，能够符合政府机构降低汽车排放等级的要求，同时提供满足客户需要的高性能汽车。然而，直喷技术要求更为复杂的控制电子电路，而且对使用的电子元器件的要求也更为严格。

传统上电子燃油喷射是通过螺线管式喷射器来进行。这种方法既廉价，又可靠，如今仍被广泛采用，但其缺点是效率相对较低。目前逐渐采用的是压电式喷射器，这种喷射技术提供精密、快速及多点喷射，支持更好的供油控制，但成本高昂，并要求高压来激活。近年来，汽车市场竞争加剧，一方面，制造商们需要采用更先进的供油电子电路；另一方面，汽车用户不愿意为性能提升而支付更多金钱。在消费需求方面，汽车电子电路已经变得跟计算机和便携电子产品领域相似——功能增多、性能提升，同时价格越来越低。

功率MOSFET在当代燃油供给系统中的作用

功率MOSFET通常用于燃油供给系统，根据ECU的指令来将喷射器导通/关闭。每个喷射器使用1颗MOSFET。随着供油系统的发展，对MOSFET的要求也随之提高。这迫使半导体供应商去开发更高性能的新器件，其关键的衡量指标如下：

1. 工作电压 直喷系统所用的某些MOSFET参数可能比标准喷射系统有明显提高。直喷系统通常要求更大的引入电流。大电流必须快速形成，因此要求更高的电压轨。直喷系统可能需要高于100V的电压轨（相比较而言，标准喷射系统约为50V）。因此，需要指定使用更高电压的MOSFET，而且还要有升压电源电路。压电式喷射器通常也要求由200V或更高的高电压来激活。一般情况下，市场上缺乏通过汽车行业认证的高/中压MOSFET。随着压电式喷射器应用增加，模块供应商将从更多的候选供应商中选购所要求的MOSFET。

2. 工作电流 更大的工作电流需要更低导通阻抗（Rdson）的器件来满足模块电压降要求及降低模块能耗。较新的系统在考虑沟槽技术（不同于已有的平面型工艺技术）的MOSFET，来降低系统总成本。当前沟槽技术的有效裸片面积仅是平面型MOSFET器件的有效裸片面积的50%，而导通阻抗相同。

3. 开关速度及重复性 未钳位电感型开关（UIS）发动机即便以10000r/min的转速运转，就电子领域而言，其时序并不太快，例如，CPU稳压模块（VRM）开关等其他应用的工作频率达数十万赫兹。此外，随着供油算法日趋复杂，也导致器件的开关速度成为更重要的因素。这是因为我们探讨的当今系统在以多点喷射而非单点喷射燃油。多点喷射系统的困难在于如何拥有足够的时间来反复提升电流。如果时序不重要，电路设计人员就可以用连接至电源轨的二极管来钳位电感电压，因而不会在每个关闭周期将MOSFET开关置于雪崩模式。然而，随着喷射增多，设计人员通常只能选择使MOSFET开关能够反激，在螺线管电感两端提供最大电压。这就要求MOSFET具备强大的UIS能力。但迄今为止，市场上不同供应商对MOSFET的重复性UIS能力这一参数尚没有很好地描述。沟槽型MOSFET技术与平面型MOSFET技术相比，通常被认为UIS能力较弱。

图2  NTD6415ANL的传输特性

4. 散热性能 动力系统电子电路通常封装在ECU内，ECU的环境温度要求在汽车内通常最为严格，涵盖-40～125℃，甚至更高的温度。这要求必须采用拥有更高工作温度规格的MOSFET进行设计，来承受更宽的温度范围。但是，随着燃油供给系统的进步（采用要求高边开关、升压电源，某些情况下还要向下切换至电池电压轨以维持电流），致使大量MOSFET被集成到ECU中，加大了功率密度。而且由于成本因素，ECU的电路板尺寸不会增大，否则会要求重新设计，无法在多个车型中交叉利用相同的电子硬件。这驱使业界推出尺寸更小、更高散热效率的MOSFET封装。MOSFET封装已经从TO-220变为D2PAK，再变为DPAK，及至更新、更紧凑的SO8FL封装选择。但更小的封装及更小的半导体裸片推动工作电压上升，进而又导致可靠性顾虑重新出现，特别是在重复性UIS条件下。因此，解决散热性的方法还需要进一步探索。

跟车型可靠性相关的任何问题都可能导致严重后果。它不但可能导致制造商进行代价高昂的召回，并对其品牌形象有莫大影响。因此，采购拥有高规格等级的功率元器件至关重要。

采用诸如安森美半导体NTD6415ANL N沟道平面型功率MOSFET这样的高性能器件，将使OEM厂商可以配合更先进的燃油喷射技术，同时还确保汽车的长期可靠性，并提升性能等级。此器件通过了AEC-Q101认证，因此可以承受严格的汽车环境。它在10V时的导通阻抗仅为52mΩ，支持100V电压等级及23A电流。该器件采用DPAK封装，工作温度范围涵盖-55～175℃，从而可以承受直喷系统常见的极端发热等级。此外，该器件的热阻抗特性（1.8℃/W结点至外壳）支持快速散热，保护器件免受涌现的故障影响。安森美半导体目前还在开发用于此应用领域的沟槽型MOSFET器件。NTD6415ANL的导通区域特性和传输特性分别见图1和图2。

总结

总之，从向气缸多点喷射转向直接喷射将大幅提升汽油机燃油供给系统的效率。直喷的效率比传统喷射技术高得多，提升了性能等级，同时需要的燃油更少。这种技术提供更高的供油精度，不仅减少了排放，而且提高了燃油经济性。直喷技术在汽车行业的蓬勃发展将对环境的长期保护带来巨大好处。

功率半导体技术的进步，不仅使制造商们可以满足消费者对提升汽车性能的需求，同时获得了更高的燃油效率，并降低了废气排放。在汽车领域，前瞻型制造商正在推向市场的新系列MOSFET能够承受直喷系统要求的高压及极端温度条件。