稳健的汽车40V 功率MOSFET提高汽车安全性

House

1 g$ ^( T, j( p0 i

稳健的汽车40V 功率MOSFET提高汽车安全性

% [) h% r1 q8 `) C( z( [摘要
0 Q. L0 {1 ]" s0 k' [/ _+ E意法半导体最先进的40V功率MOSFET可以完全满足EPS (电动助力转向系统)和EPB (电子驻车制动系统) 等汽车安全系统的机械、环境和电气要求。 这些机电系统必须符合汽车AEC Q101规范，具体而言，低压MOSFET必须耐受高温和高尖峰电流。
- v8 f! f, C$ A& P3 E# `
1. 前言
$ ]( Q* S% }/ C" b" u! L0 s6 LEPS和EPB系统均由两个主要部件组成：电动伺服单元和机械齿轮单元。电动伺服单元将电机的旋转运动传给机械齿轮单元，进行扭矩放大，执行机械动作。电动伺服单元是用功率MOSFET实现的两相或三相逆变器，如图1所示。

7 v; o: Y9 m( Y: x# Q+ `; a

图1. EPS和EPB系统的伺服单元拓扑

图中负载是一台电机，通常是永磁无刷直流电机(BLDC)，由一个12V电池进行供电。
) I. ?  p8 `0 ?5 j6 e- u
7 [1 o) z; a* }+ b5 F2 }* r) m2. 汽车对功率MOSFET的要求
EPS和EPB逆变器所用的40V功率MOSFET，要想符合AEC Q101汽车认证标准，必须满足以下所有要求：

1.开关损耗和导通损耗非常低
- k( X; z1 Y# B8 l' |8 S. o
, M2 ^# {0 ^+ \6 H; j, W* @" D2.输出电流大

3. Ciss/Crss比值小，EMI抗扰性强
5 H% Q2 I  O. O) ^% j% @
, r7 F6 ^1 t( |, R% r4.优异的耐雪崩性能

5.出色的过流和短路保护
# J; N0 u: q' a: y
5 a- {  U# q: |0 ~6.热管理和散热效率高
8 [/ d( u; A7 O. b6 a* A
" [; K# a9 z0 Y8 _, L7.采用稳定的SMD封装
0 F+ P8 d4 A* ^( U3 s
8.抗负载突降和ESD能力优异
2 [8 U- H9 q0 j0 e
2.1. AEC Q101功率MOSFET的参数测量值
9 V- h' y( t, J: o* J" H我们选择一些符合EPS和EPB系统要求的竞品，与意法半导体的40V汽车功率MOSFET进行对比实验。表1列出了意法半导体的STL285N4F7AG汽车40V功率MOSFET和同级竞品的主要参数测量值。
+ D  E' Y$ W$ w4 V3 m# x0 @* l

. E) N1 Z! t0 H) d1 z

表1. STL285N4F7AG与竞品参数测量值比较表

' I: m- M5 ]2 i# B由于两个安全系统的工作电压都是在12V-13.5V区间，功率MOSFET的标称电压是40V，因此，只要确保击穿电压(BVdss)接近46V，就能正确地抑制在开关操作过程中因寄生电感而产生的过压。为抑制导通期间的压差，静态导通电阻(RDSon)最好低于1mΩ。只有本征电容和Rg都很小，开关损耗才能降至最低，从而实现快速的开关操作。Crss/Ciss比率是一个非常敏感的参数，有助于防止米勒效应导致的任何异常导通，并可以更好地控制di/dt和dV/dt速率，配合体-漏二极管Qrr反向恢复电荷和反向恢复软度，可显着降低器件对EMI的敏感度。

为满足低耗散功率和电磁干扰的要求，STL285N4F7AG优化了电容比值(Crss/Ciss)。图2是STL285N4F7AG与竞品的电容比值比较图。

1 b% D- x  m0 M1 @1 ~) w! R

图2. STL285N4F7AG与竞品的Crss/Ciss电容比测量值比较

1 I5 W$ K" c3 Q& x此外，图3所示是意法半导体的STL285N4F7AG的体-漏二极管与竞品的性能测量值比较图。
! D2 T1 y6 b1 `" M# \6 V

! n5 }! S- s& a1 z: Q- s. K9 l

图3：STL285N4F7AG与竞品的体-漏二极管性能测量值比较

, ^1 C  c1 Q. ]. C
测量参数表明，对于一个固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢复电荷(Qrr)和恢复时间(Trr)都小于竞品，这个特性的好处归纳如下：

-低Qrr可降低逆变器在开启时的动态损耗，并优化功率级的EMI特性;

' n2 u% G9 c) p8 K- [3 r* ?-更好的Trr可改善二极管恢复电压上升速率(dv/dt)的动态峰值。在续流期间电流流过体 漏二极管时，Trr是导致电桥故障的常见主要原因。

因此，dv/dt是保证闩锁效应耐受能力的重要参数，测量结果显示，意法半导体产品的dv/dt性能(图4)优于竞品(图5)。

$ T! D6 g6 @% g

图4. STL285N4F7AG的dv/dt t测量值

图5. 竞品的dv/dt测量值

/ @* |' v' \# }% m" X8 B
: V. `0 ]5 D4 [6 X+ O
. z" O  n; M9 ]8 }2.2. 短路实验性能测试
我们通过一个短路实验来测量、验证意法半导体40V汽车功率MOSFET在汽车安全应用中的稳定性。电子系统可能因各种原因而发生短路，例如，存在湿气、缺乏绝缘保护、电气部件意外接触和电压过高。因为短路通常是意外造成的，所以短路很少是永久的，一般持续几微秒。在短路期间，整个系统，特别是功率级必须承受多个高电流事件。我们用STL285N4F7AG和测试板做了一个短路实验，测量结果如图6所示：
2 ]( c- D' q' y+ k
" c! z  P. j' b. z; r9 k% D- Z

+ a8 @; }3 c3 z* Y

图6：测试板

# G* h8 d) h- u! z! M- O
按照以下步骤完成实验：
- J. e" e: {' Z
1）用曲线测量仪预先测试主要电气参数;
% i4 ~6 C% @! M& E
5 `1 L8 ?" h$ _; L2）测试板加热至135°C，并施加两次10μs的短路脉冲，间隔小于1s。限流器保护功能激活做一次实验，不激活做一次实验。
3 m5 }& f$ a" H. a5 [7 s2 c+ u( Z
1 |) S3 ~( s5 L7 x3）对器件进行去焊处理，并再次测量主要电气参数，检查功率MOSFET的完整性或性能衰减。
, H( w! @$ S# G5 A( z
/ n) h7 ]) y' C* `& d! m: E测量结果如图7所示。
( u" S3 P8 s2 Y- e
, u: x& U2 S! ]& h. _: t  i

+ f/ y& L# V' P5 h2 y4 N) h

图7：STL285N4F7AG短路测试

9 X  q3 b5 \- f5 A+ U在短路事件过程中测量到的实际电流值是在2000A范围内，脉冲持续时间为10μs。我们进行了十次测试，Tperiod = 5s。STL285N4F7AG成功地承受住短路冲击，未发生任何故障；但当电流值大于2400A时，出现故障（图8）。
  x' l' b, @2 M; k/ ~- k: {  {

, L5 Z/ p) a& J- r8 N

图8. STL285N4F7AG失效时的电流测量值(Id > 2400A)

8 c. [9 Y3 D4 b3. 结论
实验数据表明，意法半导体最先进的AEC-Q101 40V功率MOSFET可轻松符合汽车安全系统的严格要求。因此，意法半导体的新沟槽N沟道器件是汽车EPS和EPB系统的最佳选择。

5 G$ g1 A" R8 \8 X: T  d4. 参考文献
- ?4 K" j" p5 N. t2 _1 o) {. O5 a[1] F. Frisina " Dispositivi di Potenza a semiconduttore". Edizione DEL FARO Prima Edizione Giugno 2013

# v* J7 c2 F% Z, k$ @3 N" U6 w[2] B. Jayant Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer Science, 2008
( E# R6 M5 E! y" B4 Y& c
[3] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: "Power Electronics Converters, Applications and Design" 2nd edition J. Wiley & Sons NY 1995

' n0 i. W0 B& H2 r[4] B. Murari, F. Berrotti, G.A. Vignola " Smart Power ICs: Technologies and Applications" 2nd Edition

. ^+ |/ z; p* T1 U* j

kinidrily

学习了