稳健的汽车40V 功率MOSFET提高汽车安全性

日期:2019-01-22
 
 
Filippo, Scrimizzi, 意法半导体, 意大利, filippo.scrimizzi@st.com
Giuseppe, Longo, 意法半导体, 意大利, giuseppe-mos.longo@st.com
Giusy, Gambino, 意法半导体s, 意大利, giusy.gambino@st.com
 
 
 
 
摘要
 
 
 
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。
 
1. 前言
 
EPS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。


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。
 
2. 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
2.输出电流大
3. Ciss/Crss比值小,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封装
8.抗负载突降和ESD能力优异
 
2.1. AEC Q101功率MOSFET的参数测量值
 
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。
 
BVdss (V) @250µA Vth 
(V) @250µA Vsd 
(mV) @48A RDSon 
(mΩ) @10V,48A Rg (Ω) Ciss (pF) @25V Crss 
(pF) @25V Coss (pF) @25V
竞品 46.80 2.89 755 0.6 2.5 8450 136 4350
STL285N4F7AG 46.34 3.43 790 1.0 1.2 5600 38 2350
 
表1. STL285N4F7AG与竞品参数测量值比较表 
 
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。

图2. STL285N4F7AG与竞品的Crss/Ciss电容比测量值比较
 
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。
 
图3:STL285N4F7AG与竞品的体-漏二极管性能测量值比较
 
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;
- 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)。

    图4. STL285N4F7AG的dv/dt t测量值
     图5. 竞品的dv/dt测量值
 
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:
 
图6:测试板
 
按照以下步骤完成实验:
1)用曲线测量仪预先测试主要电气参数;
2)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)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。
测量结果如图7所示。


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)。

图8. STL285N4F7AG失效时的电流测量值(Id > 2400A)
 
3. 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。
 
 
4. 参考文献
 
[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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