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穩(wěn)健的汽車40V 功率MOSFET提高汽車安全性

本文作者：Filippo, Scrimizzi 點(diǎn)擊： 2019-01-21 13:32

前言：

摘要

意法半導(dǎo)體最先進(jìn)的40V功率MOSFET可以完全滿足EPS (電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))和EPB (電子駐車制動系統(tǒng)) 等汽車安全系統(tǒng)的機(jī)械、環(huán)境和電氣要求。這些機(jī)電系統(tǒng)必須符合汽車AEC Q101規(guī)范，具體而言，低壓MOSFET必須耐受高溫和高尖峰電流。

1. 前言

EPS和EPB系統(tǒng)均由兩個主要部件組成：電動伺服單元和機(jī)械齒輪單元。電動伺服單元將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳給機(jī)械齒輪單元，進(jìn)行扭矩放大，執(zhí)行機(jī)械動作。電動伺服單元是用功率MOSFET實(shí)現(xiàn)的兩相或三相逆變器，如圖1所示。

圖1. EPS和EPB系統(tǒng)的伺服單元拓?fù)?/span>

圖中負(fù)載是一臺電機(jī)，通常是永磁無刷直流電機(jī)(BLDC)，由一個12V電池進(jìn)行供電。

2. 汽車對功率MOSFET的要求

EPS和EPB逆變器所用的40V功率MOSFET，要想符合AEC Q101汽車認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)，必須滿足以下所有要求：

1.開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗非常低
2.輸出電流大
3. Ciss/Crss比值小，EMI抗擾性強(qiáng)
4.優(yōu)異的耐雪崩性能
5.出色的過流和短路保護(hù)
6.熱管理和散熱效率高
7.采用穩(wěn)定的SMD封裝
8.抗負(fù)載突降和ESD能力優(yōu)異

2.1. AEC Q101功率MOSFET的參數(shù)測量值

我們選擇一些符合EPS和EPB系統(tǒng)要求的競品，與意法半導(dǎo)體的40V汽車功率MOSFET進(jìn)行對比實(shí)驗。表1列出了意法半導(dǎo)體的STL285N4F7AG汽車40V功率MOSFET和同級競品的主要參數(shù)測量值。

BV_dss (V) @250µA

V_th

(V) @250µA

V_sd

(mV) @48A

R_DSon

(m?) @10V,48A

R_g (?)

C_iss (pF) @25V

C_rss

(pF) @25V

C_oss (pF) @25V

競品

46.80

2.89

755

0.6

2.5

8450

136

4350

STL285N4F7AG

46.34

3.43

790

1.0

1.2

5600

2350

表1. STL285N4F7AG與競品參數(shù)測量值比較表

由于兩個安全系統(tǒng)的工作電壓都是在12V-13.5V區(qū)間，功率MOSFET的標(biāo)稱電壓是40V，因此，只要確保擊穿電壓(BVdss)接近46V，就能正確地抑制在開關(guān)操作過程中因寄生電感而產(chǎn)生的過壓。為抑制導(dǎo)通期間的壓差，靜態(tài)導(dǎo)通電阻(RDSon)最好低于1mΩ。只有本征電容和Rg都很小，開關(guān)損耗才能降至最低，從而實(shí)現(xiàn)快速的開關(guān)操作。Crss/Ciss比率是一個非常敏感的參數(shù)，有助于防止米勒效應(yīng)導(dǎo)致的任何異常導(dǎo)通，并可以更好地控制di/dt和dV/dt速率，配合體-漏二極管Qrr反向恢復(fù)電荷和反向恢復(fù)軟度，可顯著降低器件對EMI的敏感度。

為滿足低耗散功率和電磁干擾的要求，STL285N4F7AG優(yōu)化了電容比值(Crss/Ciss)。圖2是STL285N4F7AG與競品的電容比值比較圖。

圖2. STL285N4F7AG與競品的Crss/Ciss電容比測量值比較

此外，圖3所示是意法半導(dǎo)體的STL285N4F7AG的體-漏二極管與競品的性能測量值比較圖。

圖3：STL285N4F7AG與競品的體-漏二極管性能測量值比較

測量參數(shù)表明，對于一個固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢復(fù)電荷(Qrr)和恢復(fù)時間(Trr)都小于競品，這個特性的好處歸納如下：
- 低Qrr可降低逆變器在開啟時的動態(tài)損耗，并優(yōu)化功率級的EMI特性;
- 更好的Trr可改善二極管恢復(fù)電壓上升速率(dv/dt)的動態(tài)峰值。在續(xù)流期間電流流過體漏二極管時，Trr是導(dǎo)致電橋故障的常見主要原因。
因此，dv/dt是保證閂鎖效應(yīng)耐受能力的重要參數(shù)，測量結(jié)果顯示，意法半導(dǎo)體產(chǎn)品的dv/dt性能(圖4)優(yōu)于競品(圖5)。

圖4. STL285N4F7AG的dv/dt t測量值

圖5. 競品的dv/dt測量值

2.2. 短路實(shí)驗性能測試

我們通過一個短路實(shí)驗來測量、驗證意法半導(dǎo)體40V汽車功率MOSFET在汽車安全應(yīng)用中的穩(wěn)定性。電子系統(tǒng)可能因各種原因而發(fā)生短路，例如，存在濕氣、缺乏絕緣保護(hù)、電氣部件意外接觸和電壓過高。因為短路通常是意外造成的，所以短路很少是永久的，一般持續(xù)幾微秒。在短路期間，整個系統(tǒng)，特別是功率級必須承受多個高電流事件。我們用STL285N4F7AG和測試板做了一個短路實(shí)驗，測量結(jié)果如圖6所示：

圖6：測試板

按照以下步驟完成實(shí)驗：
1）用曲線測量儀預(yù)先測試主要電氣參數(shù);
2）測試板加熱至135°C，并施加兩次10μs的短路脈沖，間隔小于1s。限流器保護(hù)功能激活做一次實(shí)驗，不激活做一次實(shí)驗。
3）對器件進(jìn)行去焊處理，并再次測量主要電氣參數(shù)，檢查功率MOSFET的完整性或性能衰減。
測量結(jié)果如圖7所示。

圖7：STL285N4F7AG短路測試

在短路事件過程中測量到的實(shí)際電流值是在2000A范圍內(nèi)，脈沖持續(xù)時間為10μs。我們進(jìn)行了十次測試，Tperiod = 5s。STL285N4F7AG成功地承受住短路沖擊，未發(fā)生任何故障；但當(dāng)電流值大于2400A時，出現(xiàn)故障（圖8）。

圖8. STL285N4F7AG失效時的電流測量值(Id > 2400A)

3. 結(jié)論

實(shí)驗數(shù)據(jù)表明，意法半導(dǎo)體最先進(jìn)的AEC-Q101 40V功率MOSFET可輕松符合汽車安全系統(tǒng)的嚴(yán)格要求。因此，意法半導(dǎo)體的新溝槽N溝道器件是汽車EPS和EPB系統(tǒng)的最佳選擇。

4. 參考文獻(xiàn)

[1] F. Frisina " Dispositivi di Potenza a semiconduttore". Edizione DEL FARO Prima Edizione Giugno 2013
[2] B. Jayant Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer Science, 2008
[3] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: "Power Electronics Converters, Applications and Design" 2nd edition J. Wiley & Sons NY 1995
[4] B. Murari, F. Berrotti, G.A. Vignola " Smart Power ICs: Technologies and Applications" 2nd Edition

本文作者：
Filippo, Scrimizzi, 意法半導(dǎo)體,filippo.scrimizzi@st.com
Giuseppe, Longo, 意法半導(dǎo)體,giuseppe-mos.longo@st.com
Giusy, Gambino, 意法半導(dǎo)體s,giusy.gambino@st.com

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