意法半導(dǎo)體的40V功率MOSFET可顯著提高汽車安全性

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】意法半導(dǎo)體的40V功率MOSFET可顯著提高汽車安全性意法半導(dǎo)體的40V功率MOSFET可以完全滿足EPS(電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))和EPB(電子駐車制動(dòng)系統(tǒng))等汽車安全系統(tǒng)的機(jī)械、環(huán)境和電氣要求。這些機(jī)電系統(tǒng)必須符合汽車AECQ101規(guī)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(tǒng)均由兩個(gè)主要部件組成：電動(dòng)伺服單元和機(jī)械齒輪單元。電動(dòng)伺服單元將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給機(jī)械齒輪單元，開展扭矩放大，執(zhí)行機(jī)械動(dòng)作。電動(dòng)伺服單元是用功率MOSFET實(shí)現(xiàn)的兩相或三相逆變器，如圖1所示。

圖1.EPS和EPB系統(tǒng)的伺服單元拓?fù)?/p>

圖中負(fù)載是一臺(tái)電機(jī)，通常是永磁無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)，由一個(gè)12V電池開展供電。

2.汽車對(duì)功率MOSFET的要求

EPS和EPB逆變器所用的40V功率MOSFET，要想符合AECQ101汽車標(biāo)準(zhǔn)，必須滿足以下所有要求：

1.開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗非常低

2.輸出電流大

3.Ciss/Crss比值小，EMI抗擾性強(qiáng)

4.優(yōu)異的耐雪崩性能

5.出色的過流和短路保護(hù)

6.熱管理和散熱效率高

7.采用穩(wěn)定的SMD封裝

8.抗負(fù)載突降和ESD能力優(yōu)異

2.1.AECQ101功率MOSFET的參數(shù)測(cè)量值

我們選擇一些符合EPS和EPB系統(tǒng)要求的競(jìng)品，與意法半導(dǎo)體的40V汽車功率MOSFET開展比照實(shí)驗(yàn)。表1列出了意法半導(dǎo)體的STL285N4F7AG汽車40V功率MOSFET和同級(jí)競(jìng)品的主要參數(shù)測(cè)量值。BVdss

Vth

Vsd

RDSon

Rg

Ciss

Crss

Coss

競(jìng)品

STL285N4F7AG

表1.STL285N4F7AG與競(jìng)品參數(shù)測(cè)量值比較表

由于兩個(gè)安全系統(tǒng)的工作電壓都是在12V-13.5V區(qū)間，功率MOSFET的標(biāo)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(guān)操作過程中因寄生電感而產(chǎn)生的過壓。為抑制導(dǎo)通期間的壓差，靜態(tài)導(dǎo)通電阻(RDSon)低于1mΩ。只有本征電容和Rg都很小，開關(guān)損耗才能降至，從而實(shí)現(xiàn)快速的開關(guān)操作。Crss/Ciss比率是一個(gè)非常敏感的參數(shù)，有助于防止米勒效應(yīng)導(dǎo)致的任何異常導(dǎo)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(fù)電荷和反向恢復(fù)軟度，可顯著降低器件對(duì)EMI的敏感度。

為滿足低耗散功率和電磁干擾的要求，STL285N4F7AG優(yōu)化了電容比值(Crss/Ciss)。圖2是STL285N4F7AG與競(jìng)品的電容比值比較圖。

圖2.STL285N4F7AG與競(jìng)品的Crss/Ciss電容比測(cè)量值比較

此外，圖3所示是意法半導(dǎo)體的STL285N4F7AG的體-漏二極管與競(jìng)品的性能測(cè)量值比較圖。

圖3：STL285N4F7AG與競(jìng)品的體-漏二極管性能測(cè)量值比較

測(cè)量參數(shù)說(shuō)明，對(duì)于一個(gè)固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢復(fù)電荷(Qrr)和恢復(fù)時(shí)間(Trr)都小于競(jìng)品，這個(gè)特性的好處歸納如下：

-低Qrr可降低逆變器在開啟時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗，并優(yōu)化功率級(jí)的EMI特性;-更好的Trr可改善二極管恢復(fù)電壓上升速率(dv/dt)的動(dòng)態(tài)峰值。在續(xù)流期間電流流過體漏二極管時(shí)，Trr是導(dǎo)致電橋故障的常見主要原因。

因此，dv/dt是保證閂鎖效應(yīng)耐受能力的重要參數(shù)，測(cè)量結(jié)果顯示，意法半導(dǎo)體產(chǎn)品的dv/dt性能(圖4)優(yōu)于競(jìng)品(圖5)。

圖4.STL285N4F7AG的dv/dtt測(cè)量值

圖5.競(jìng)品的dv/dt測(cè)量值

2.2.短路實(shí)驗(yàn)性能測(cè)試

我們通過一個(gè)短路實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量、驗(yàn)證意法半導(dǎo)體40V汽車功率MOSFET在汽車安全應(yīng)用中的穩(wěn)定性。電子系統(tǒng)可能因各種原因而發(fā)生短路，例如，存在濕氣、缺乏絕緣保護(hù)、電氣部件意外接觸和電壓過高。因?yàn)槎搪吠ǔＪ且馔庠斐傻?，所以短路很少是的，一般持續(xù)幾微秒。在短路期間，整個(gè)系統(tǒng)，特別是功率級(jí)必須承受多個(gè)高電流事件。我們用STL285N4F7AG和測(cè)試板做了一個(gè)短路實(shí)驗(yàn)，測(cè)量結(jié)果如圖6所示：

按照以下步驟完成實(shí)驗(yàn)：

1）用曲線測(cè)量?jī)x預(yù)先測(cè)試主要電氣參數(shù);

2）測(cè)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(hù)功能激活做實(shí)驗(yàn)，不激活做實(shí)驗(yàn)。

3）對(duì)器件開展去焊處理，并再次測(cè)量主要電氣參數(shù)，檢查功率MOSFET的完整性或性能衰減。

測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

圖7：STL285N4F7AG短路測(cè)試

在短路事件過程中?測(cè)量到的實(shí)際電流值是在2000A范圍內(nèi)，脈沖持續(xù)時(shí)間為10μs。我們開展了十次測(cè)試，Tperiod=5s。STL285N4F7AG成功地承受住短路沖擊，未發(fā)生任何故障；但當(dāng)電流值大于2400A時(shí)，出現(xiàn)故障（圖8）。

圖8.STL285N4F7AG失效時(shí)的電