車(chē)規(guī)MOSFET技術(shù)確保功率開(kāi)關(guān)管的可靠性和強(qiáng)電流處理能力
如今,出行生態(tài)系統(tǒng)不斷地給汽車(chē)設(shè)計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn),特別是在電子解決方案的尺寸、安全性和可靠性方面提出新的要求。此外,隨著汽車(chē)電控制單元 (ECU) 增加互聯(lián)和云計(jì)算功能,必須開(kāi)發(fā)新的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些技術(shù)挑戰(zhàn)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/202302/443184.htm高端車(chē)輛使用多達(dá)數(shù)百個(gè)ECU,這要求電源管理必須更高效,汽車(chē)電池和負(fù)載點(diǎn)之間的電源路徑更安全,以減少電子器件失效情況發(fā)生。用電子保險(xiǎn)(eFuse)代替?zhèn)鹘y(tǒng)保險(xiǎn)絲,可以提高電氣安全性。傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲在導(dǎo)體過(guò)載時(shí)就會(huì)過(guò)熱熔化,而電子保險(xiǎn)則是控制輸出電壓,限制輸出電流,為負(fù)載提供正確的電壓和電流;在失效持續(xù)出現(xiàn)時(shí),最終斷開(kāi)負(fù)載連接。大電流用電環(huán)境在處理高能放電方面提出了嚴(yán)格的要求,因此,需要魯棒性和可靠性俱佳的功率開(kāi)關(guān)管。
大電流功率開(kāi)關(guān)管是一個(gè)串聯(lián)到主電源軌并由邏輯電路控制的低電阻MOSFET晶體管,集成了各種保護(hù)、診斷和檢測(cè)功能。在大功率汽車(chē)電源系統(tǒng)中,通過(guò)背靠背連接的MOSFET開(kāi)關(guān)管,可以保證保險(xiǎn)盒對(duì)電流雙向控制,為電源路徑提供強(qiáng)大的保護(hù)(圖 1)。
圖1 雙向大電流功率開(kāi)關(guān)保護(hù)配置
電阻器 (RLIM)實(shí)時(shí)檢測(cè)電源軌電流,eFuse電子保險(xiǎn)調(diào)整 MOSFET的柵源電壓(VGS),將電流限制在目標(biāo)值,保持電流恒定。如果發(fā)生強(qiáng)過(guò)流或短路,控制器就會(huì)斷開(kāi)負(fù)載,保護(hù)電源。
在負(fù)載開(kāi)通時(shí),eFuse按照預(yù)設(shè)值提高輸出電壓,確保涌流保持在安全范圍內(nèi),從而保護(hù)負(fù)載和電源。這種情況對(duì)功率 MOSFET提出了嚴(yán)格的要求,它們必須經(jīng)受住ECU 輸入端的大容量電容器陣列的軟充電階段線(xiàn)性模式的恒定電流。
當(dāng)負(fù)載斷開(kāi)時(shí),與連接主電池和終端應(yīng)用負(fù)載的線(xiàn)束相關(guān)的寄生雜散電感釋放能量,功率 MOSFET處于電壓應(yīng)力狀態(tài)。
總之,功率 MOSFET 必須滿(mǎn)足以下要求(表 1):
表1 對(duì)功率MOSFET的要求
功率MOSFET | |
工作狀態(tài) | 要求 |
通態(tài) | 低導(dǎo)通損耗 |
開(kāi)通 | 線(xiàn)性模式魯棒性 |
關(guān)斷 | 能量處理能力 |
意法半導(dǎo)體新推出的STPOWER STripFET F8 MOSFET技術(shù)完全符合 AEC Q101 標(biāo)準(zhǔn),體現(xiàn)了所有的設(shè)計(jì)重大改進(jìn)之處,確保開(kāi)關(guān)管具有高能效和高魯棒性,從而實(shí)現(xiàn)安全可靠的開(kāi)關(guān)性能。
STL325N4LF8AG 是一款 40V MOSFET,采用 PowerFLAT 5x6 無(wú)引線(xiàn)封裝,靜態(tài)導(dǎo)通電阻(RDS(on))不足一毫歐,小于0.75m?,因此,導(dǎo)通損耗非常低。
MOSFET選型關(guān)鍵參數(shù)
對(duì)于12V 鉛酸電池供電的傳統(tǒng)汽車(chē)負(fù)載,功率開(kāi)關(guān)必須承受 ECU要求的高達(dá) 160 A 至 200 A 的連續(xù)電流,以實(shí)現(xiàn) 1kW 范圍內(nèi)的功率輸出。
1.開(kāi)通狀態(tài)
除了大電流之外,功率 MOSFET 還必須耐受 ECU 輸入端的大容量電容器陣列的預(yù)充電階段軟點(diǎn)火所需的恒定電流,使ECU 輸入引腳上的電壓上升平滑,從而避免任何高壓振蕩和電流尖峰。
可以用圖 2 所示的基準(zhǔn)電路圖測(cè)試開(kāi)關(guān)管在軟充電階段的魯棒性。
圖2 軟充電魯棒性驗(yàn)證基準(zhǔn)電路
該電路可以用恒定電流對(duì)負(fù)載電容 (CLOAD)充電:通過(guò)調(diào)節(jié) V1 和 VDD 電壓值,可以使電流保持恒定,從而為 CLOAD 設(shè)置特定的充電時(shí)間。 測(cè)試電容是94mF堆棧電容 ,負(fù)載和電源電壓為 15V。
對(duì)于 STL325N4LF8AG,考慮了兩種不同的測(cè)量設(shè)置情況:
● 案例1:一個(gè)開(kāi)關(guān)管,電流為1.7A,持續(xù)700ms;
● 案例 2:兩個(gè)并聯(lián)的開(kāi)關(guān)管,每個(gè)開(kāi)關(guān)的電流為 29A,持續(xù) 6ms。
圖 3 是案例1的線(xiàn)性模式操作的測(cè)量波形,圖4是案例2的線(xiàn)性模式操作的測(cè)量波形。
圖3 軟充電期間的基準(zhǔn)測(cè)試測(cè)量(案例 1)
圖4 軟充電期間的基準(zhǔn)測(cè)試測(cè)量(案例2)
在案例 1 中,使用接近直流操作的長(zhǎng)脈沖時(shí)間測(cè)試功率開(kāi)關(guān)的線(xiàn)性模式魯棒性。
在案例2 中,并聯(lián)的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的柵極閾壓(Vth)值如下:
● Vth1=1.49V @ 250μA
● Vth2=1.53V @ 250μA.
Vth的閾值范圍被限定在一定范圍內(nèi)( 3%),使兩個(gè) MOSFET的電流差很?。?/p>
● ID1=29A
● ID2=28.5A
其中,Vth1的值較低,所以ID1略高于ID2。
在這種情況下 (案例2),用大電流測(cè)試功率開(kāi)關(guān)的線(xiàn)性模式魯棒性,脈沖時(shí)間持續(xù)幾毫秒。
在這兩種情況下,功率 MOSFET 都能夠承受線(xiàn)性模式工作條件,均在理論安全工作區(qū) (SOA) 范圍內(nèi),防止器件出現(xiàn)任何熱失控。
1.關(guān)斷狀態(tài)
在關(guān)斷時(shí),功率 MOSFET必須承受巨大的能量放電應(yīng)力。事實(shí)上,在連接主電池和終端應(yīng)用控制板的線(xiàn)束上,寄生雜散電感會(huì)產(chǎn)生高阻抗,造成配電系統(tǒng)出現(xiàn)一次能量巨大的放電事件。
在ECU電控單元情況中,這種能量釋放可以視為 MOSFET 關(guān)斷時(shí)的單次雪崩事件來(lái)處理,或用有源鉗位電路強(qiáng)制MOSFET回到線(xiàn)性工作模式。TL325N4LF8AG可以在40A的雪崩擊穿測(cè)試中保持正常工作,如圖5所示:
圖5 STL325N4LF8AG在關(guān)斷時(shí)單次雪崩事件的測(cè)量波形
該器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)具有強(qiáng)大的能量處理性能。
符合ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)
對(duì)于 12V/24V 汽車(chē)電源系統(tǒng),eFuse電子保險(xiǎn)開(kāi)關(guān)管必須滿(mǎn)足ISO 7637-2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要規(guī)定,能夠耐受電源軌上產(chǎn)生的劇烈的高低電能瞬變事件,在某些情況下伴隨很高的dv/dt電壓上升速率。
1.ISO 7637-2 Pulse 1標(biāo)準(zhǔn)
Pulse 1 標(biāo)準(zhǔn)描述了當(dāng)電源連接斷開(kāi)時(shí),在與感性負(fù)載并聯(lián)的電子器件上觀察到的負(fù)電壓瞬變,如圖6所示。
Parameter | Value | Unit |
UA | 13.5 | V |
US | -100 | V |
td | 2 | ms |
tr | 1 (+0/-0.5) | μs |
t1 | ≥ 0.5 | s |
t2 | 200 | ms |
t3 | < 100 | μs |
Ri | 10 | ? |
Duration | 5000 | pulses |
圖6 ISO 7637-2 Pulse 1測(cè)試的電壓瞬變波形和參數(shù)
圖7所示的測(cè)試結(jié)果證明,STL325N4LF8AG符合ISO 7637-2 Pulse 1標(biāo)準(zhǔn)要求:
圖7 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 1測(cè)試的測(cè)量波形(右圖是放大圖)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,STL325N4LF8AG 通過(guò)了 ISO 7637-2 脈沖 1 測(cè)試,沒(méi)有發(fā)生任何失效或主要額定參數(shù)降低現(xiàn)象。
2.ISO 7637-2 Pulse 2°標(biāo)準(zhǔn)
Pulse 2a標(biāo)準(zhǔn)描述了當(dāng)與被測(cè)電子器件并聯(lián)的電路電流中斷時(shí)可能出現(xiàn)的正電壓尖峰,如圖8所示:
Parameter | Value | Unit |
UP | 13.5 ± 5% | V |
US | +100 ± 5% | V |
td | 50 ± 10% | μs |
tr | 1 ± 10% | μs |
t1 | 0.5 ± 10% | s |
Ri | 10 ± 10% | ? |
Duration | 1 ± 10% | h |
圖8 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測(cè)試的電壓瞬變波形和參數(shù)
圖 9 所示的測(cè)試結(jié)果證明,STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 2a標(biāo)準(zhǔn)要求:
圖9 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測(cè)試的測(cè)量波形(右圖是放大圖)
實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明,STL325N4LF8AG 通過(guò)了 ISO 7637-2 脈沖2a測(cè)試,沒(méi)有發(fā)生任何失效或主要額定參數(shù)降低現(xiàn)象。
3.ISO 7637-2 Pulses 3a 和 3b標(biāo)準(zhǔn)
Pulses 3a 和 3b定義了受線(xiàn)束分布電容和電感的影響,在開(kāi)關(guān)過(guò)程可能出現(xiàn)的負(fù)電壓尖峰,如圖 11 和圖12 所示:
圖10 ISO 7637-2 pulse 3a測(cè)試的電壓瞬變
圖11 ISO 7637-2 pulse 3b測(cè)試的電壓瞬變
表2列出了各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量值:
表2 ISO 7637-2 pulses 3a和3b測(cè)試的電壓瞬態(tài)參數(shù)
參數(shù) | Pulse 3a Value數(shù)值 | Pulse 3b Value數(shù)值 | 單位 |
UP | 13.5 | 3.5 ± 0.5 | V |
US | -150 | +100 ± 5 % | V |
td | 100 | 50 ± 45 | ns |
tr | 5 | 5 ± 1.5 | ns |
t1 | 100 | 100 ± 20 % | μs |
t4 | 10 | 10 ± 20 % | ms |
t5 | 90 | 90 ± 20 % | ms |
Ri | 50 | 50 ± 20 % | ? |
Duration時(shí)長(zhǎng) | 1 | h |
圖 12 和 13是STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 3a 和 pulse 3b測(cè)試相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù):
圖12 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3a測(cè)試測(cè)量波形(右圖是放大圖)
圖13 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3b測(cè)試的測(cè)量波形(右圖是放大圖)
STL325N4LF8AG的pulse 3a和3b測(cè)試結(jié)果令人滿(mǎn)意。
4.ISO 7637-2 脈沖 5a 和 5b(負(fù)載突降)
Pulses 5a 和5b是對(duì)負(fù)載突降瞬變電壓的模擬測(cè)試。負(fù)載突降是指在交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生充電電流的期間,放電電池?cái)嚅_(kāi)連接,同時(shí)其他負(fù)載仍連接交流發(fā)電機(jī)的情況,如圖 14 和15 所示:
圖14 ISO 7637-2 pulse 5a測(cè)試的電壓瞬變
圖15 ISO 7637-2 pulse 5b測(cè)試的電壓瞬變
表3列出了12V 系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)值:
表 3 ISO 7637-2 pulses 5a 和 5b 測(cè)試的電壓瞬態(tài)參數(shù)
Parameter | Pulse 5a Value | Pulse 5b Value | Unit |
US | 65 to 87 | 65 to 87 | V |
US* | 35.2 | V | |
td | 40 to 400 | 40 to 400 | ms |
tr | 5 to 10 | 5 to 10 | ms |
Ri | 0.5 to 4 | 0.5 to 4 | ? |
圖 17和圖18所示是STL325N4LF8AG 的 ISO 7637-2 pulse 5a 和pulse 5b 測(cè)試的測(cè)量波形:
圖16 STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5a測(cè)試的測(cè)量波形
圖17 STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5 b測(cè)試的測(cè)量波形
因此,STL325N4LF8AG 也可以為系統(tǒng)提供負(fù)載突降保護(hù)。
結(jié)論
STL325N4LF8AG采用意法半導(dǎo)體新開(kāi)發(fā)的STripFET F8制造技術(shù),為應(yīng)對(duì)eFuse電子保險(xiǎn)應(yīng)用的所有相關(guān)電壓應(yīng)力狀況而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì),在電源關(guān)閉和開(kāi)通狀態(tài),能夠承受相關(guān)的電壓應(yīng)力。此外,該MOSFET還通過(guò)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 7637-2規(guī)定的12V/24V汽車(chē)電池系統(tǒng)導(dǎo)通瞬變測(cè)試。同級(jí)一流的性能使 STL325N4LF8AG 成為在惡劣的汽車(chē)應(yīng)用中設(shè)計(jì)更安全的配電系統(tǒng)的理想選擇。
參考文獻(xiàn)
[1] R. Bojoi, F. Fusillo, A. Raciti, S. Musumeci, F. Scrimizzi and S. Rizzo, "Full-bridge DC-DC power converter for telecom applications with advanced trench gate MOSFETs", IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), Turin 2018.
[2] S. Musumeci, F. Scrimizzi, G. Longo, C. Mistretta and D. Cavallaro, “Trench-gate MOSFET application as active fuse in low voltage battery management system”, 2nd IEEE International Conference on Industrial Electronics for Sustainable Energy Systems (IESES), 2020.
[3] G. Breglio, F. Frisina, A. Magrì and P. Spirito, “Electro-thermal instability in low voltage power MOS: experimental characterization”, IEEE ISPSD, Toronto 1999.
評(píng)論