穩健的汽車40V 功率MOSFET提高汽車安全性

　　Filippo, Scrimizzi, 意法半導體, 意大利, filippo.scrimizzi@st.com

　　Giuseppe, Longo, 意法半導體, 意大利, giuseppe-mos.longo@st.com

　　Giusy, Gambino, 意法半導體s, 意大利, giusy.gambino@st.com

　　摘要

　　意法半導體最先進的40V功率MOSFET可以完全滿足EPS (電動助力轉向系統)和EPB (電子駐車制動系統) 等汽車安全系統的機械、環境和電氣要求。 這些機電系統必須符合汽車AEC Q101規范，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系統均由兩個主要部件組成：電動伺服單元和機械齒輪單元。電動伺服單元將電機的旋轉運動傳給機械齒輪單元，進行扭矩放大，執行機械動作。電動伺服單元是用功率MOSFET實現的兩相或三相逆變器，如圖1所示。

　　圖1. EPS和EPB系統的伺服單元拓撲

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

　　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汽車認證標準，必須滿足以下所有要求：

　　1.開關損耗和導通損耗非常低

　　2.輸出電流大

　　3. Ciss/Crss比值小，EMI抗擾性強

　　4.優異的耐雪崩性能

　　5.出色的過流和短路保護

　　6.熱管理和散熱效率高

　　7.采用穩定的SMD封裝

　　8.抗負載突降和ESD能力優異

　　2.1. AEC Q101功率MOSFET的參數測量值

　　我們選擇一些符合EPS和EPB系統要求的競品，與意法半導體的40V汽車功率MOSFET進行對比實驗。表1列出了意法半導體的STL285N4F7AG汽車40V功率MOSFET和同級競品的主要參數測量值。

　　表1. STL285N4F7AG與競品參數測量值比較表

　　由于兩個安全系統的工作電壓都是在12V-13.5V區間，功率MOSFET的標稱電壓是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操作過程中因寄生電感而產生的過壓。為抑制導通期間的壓差，靜態導通電阻(RDSon)最好低于1mΩ。只有本征電容和Rg都很小，開關損耗才能降至最低，從而實現快速的開關操作。Crss/Ciss比率是一個非常敏感的參數，有助于防止米勒效應導致的任何異常導通，并可以更好地控制di/dt和dV/dt速率，配合體-漏二極管Qrr反向恢復電荷和反向恢復軟度，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

　　測量參數表明，對于一個固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢復電荷(Qrr)和恢復時間(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損耗，并優化功率級的EMI特性;

　　- 更好的Trr可改善二極管恢復電壓上升速率(dv/dt)的動態峰值。在續流期間電流流過體 漏二極管時，Trr是導致電橋故障的常見主要原因。

　　因此，dv/dt是保證閂鎖效應耐受能力的重要參數，測量結果顯示，意法半導體產品的dv/dt性能(圖4)優于競品(圖5)。

　　圖4. STL285N4F7AG的dv/dt t測量值

　　圖5. 競品的dv/dt測量值

　　2.2. 短路實驗性能測試

　　我們通過一個短路實驗來測量、驗證意法半導體40V汽車功率MOSFET在汽車安全應用中的穩定性。電子系統可能因各種原因而發生短路，例如，存在濕氣、缺乏絕緣保護、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，一般持續幾微秒。在短路期間，整個系統，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驗，測量結果如圖6所示：

　　圖6：測試板

　　按照以下步驟完成實驗：

　　1)用曲線測量儀預先測試主要電氣參數;

　　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。限流器保護功能激活做一次實驗，不激活做一次實驗。

　　3)對器件進行去焊處理，并再次測量主要電氣參數，檢查功率MOSFET的完整性或性能衰減。

　　測量結果如圖7所示。 

圖7：STL285N4F7AG短路測試

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

　　圖8. STL285N4F7AG失效時的電流測量值(Id > 2400A)

　　3. 結論

　　實驗數據表明，意法半導體最先進的AEC-Q101 40V功率MOSFET可輕松符合汽車安全系統的嚴格要求。因此，意法半導體的新溝槽N溝道器件是汽車EPS和EPB系統的最佳選擇。

　　4. 參考文獻

　　[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