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          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性

          發布時間:2019-01-22 責任編輯:wenwei

          【導讀】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。
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          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。
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          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。
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          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。
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          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)。
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          圖4. STL285N4F7AG的dv/dt t測量值
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          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:
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          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。
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          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)。
           
          穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性
          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
           
           
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