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稳健的汽车40V功率 MOSFET提升汽车安全性
 

【作者: 意法半導體】2019年04月01日 星期一

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意法半导体最先进的40V功率MOSFET可以完全满足电动助力转向系统(Electric Power Steering,EPS)和电子驻车制动系统 (Electric Park Brake,EPB)等汽车安全系?的机械、环境和电器要求。这些机电系统必须符合汽车AEC Q101之规范,具体来说,低压MOSFET必须耐受高温和高尖峰电流。


EPS和EPB系统均由两个主要零组件组成:电动伺服元件和机械齿轮元件。电动伺服元件将电机的旋转运动传至机械齿轮元件,进行扭矩放大,执行机械动作。电动伺服元件则是透过功率MOSFET实现的两相或三相逆变器,如图1所示。


图1 : EPS和EPB系?的伺服元件拓朴
图1 : EPS和EPB系?的伺服元件拓朴

图中负载是一台电动马达,通常是永磁无刷直流马达(BLDC,Brush Less Direct Current),电源采用一个12V电池。


汽车对功率MOSFET的要求

EPS和EPB逆变气所用的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. 非常低的切换损耗和导通损耗


2. 大输出电流


3. Ciss/Crss Ratio小,EMI抗扰性强


4. 优异的耐雪崩性能


5. 出色的过流和短路保护


6. 热管理和散热效率高


7. 采用稳定的SMD封?


8. 抗附载突降和ESD能力优异


AEC Q101功率MOSFET的叁数测量值

我们选择一些符合EPS和EPB统要求的竞品,与意法半导体的40V车用功率MOSFET进行对比实验。以STL285N4F7AG车用40V功率MOSFET和同级竞品的主要叁数测量值。


由於两个安全系统的运作电压均落在 12V-13.5V 区间,功率MOSFET的标称电压为40V,因此,只要确保击穿电压(BVdss)接近46V,就能正确地抑制在切换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,?态导通电阻(RDSon)最好低於1mΩ。只有本征电容和Rg都很小的情况下,切换损耗才能降至最低,进而达到快速的切换操作。Crss/Ciss比率是一个非常敏感的叁数,其有助於防止米勒效应所导致的任何异常导通,并可更好地控制di/dt和dV/dt速率,配合体汲二极体Qrr反向恢复电荷和反向恢复软度,可显着降低元件对EMI的敏感度。为满足低耗散功率和电磁干扰的要求,STL285N4F7AG优化了电容率(Crss/Ciss)。图2是STL285N4F7AG与竞品的电容率比较图。


图2 : STL285N4F7AG与竞品的Crss/Ciss电容比测量值比较
图2 : STL285N4F7AG与竞品的Crss/Ciss电容比测量值比较

@内文;此外,图3所示是意法半导体STL285N4F7AG的体汲二极体与竞品的性能测量值比较图。



图3 : STL285N4F7AG与竞品的体汲二极体性能测量值比较
图3 : STL285N4F7AG与竞品的体汲二极体性能测量值比较

测量叁数显示,对於一个固定的di/dt值,STL285N4F7AG的反向恢复电荷(Qrr)和恢复时间(Trr)皆小於竞品,这个特性的优势归纳如下:


- 低Qrr降低逆变器在开启时的动态损耗,并优化功率级的EMI特性;


- 更隹的Trr可改善二极体恢复电压上升速率(dv/dt)的动态峰值。在续流期间电流流过体汲二极体时,Trr是导致电桥故障的常见主要原因。


因此,dv/dt是确保闩锁效应耐受能力的重要叁数,测量结果显示,意法半导体产品的dv/dt性能(图4)优於竞品(图5)。



图4 : STL285N4F7AG的dv/dt 测量值
图4 : STL285N4F7AG的dv/dt 测量值

图5 : 竞品的dv/dt测量值
图5 : 竞品的dv/dt测量值

短路实验性能测试

我们透过一个短路实验来测量并验证意法半导体40V车用功率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、电气元件意外接触和电压过高。通常是由意外导致短路发生,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?是功率级必须承受多个高电流事件。我们采用STL285N4F7AG和测试板进行一个短路实验,测量结果如图6所示:



图6 : 测试板
图6 : 测试板

按照以下步骤完成实验:


1.使用曲线测量仪预先测试主要电气叁数;


2.测试板加热至135。C,并施加两次10μs的短路脉冲,间隔小於1s。以限流器保护功能启动做一次实验,以不启动状况下再做一次实验。


3.针对元件进行去焊处理,并再次测量主要电气叁数,检查功率MOSFET的完整性或性能衰减。


测量结果如图7所示。



图7 : STL285N4F7AG短路测试
图7 : STL285N4F7AG短路测试

在短路事件过程中测量到的实际电流值是在2000A的范围?,脉冲持续时间为10μs。我们进行了十次测试,Tperiod = 5s。STL285N4F7AG成功地承受短路冲击,并未发生任何故障;但当电流值大於2400A时,出现故障(图8)。



图8 : STL285N4F7AG失效时的电流测量值 (Id  2400A)
图8 : STL285N4F7AG失效时的电流测量值 (Id > 2400A)

结论

实验数据显示,意法半导体最先进的AEC-Q101 40V功率MOSFET可以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沟道元件是汽车EPS和EPB系统的最隹选择。


(本文作者Filippo Scrimizzi、Giuseppe Longo、Giusy Gambinoino任职於意法半导体)


叁考文献

[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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