車(chē)規(guī)MOSFET技術(shù)確保功率開(kāi)關(guān)管的可靠性和強(qiáng)電流處理能力

如今，出行生態(tài)系統(tǒng)不斷地給汽車(chē)設(shè)計(jì)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)，特別是在電子解決方案的尺寸、安全性和可靠性方面提出新的要求。此外，隨著汽車(chē)電控制單元 (ECU) 增加互聯(lián)和云計(jì)算功能，必須開(kāi)發(fā)新的解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些技術(shù)挑戰(zhàn)。

高端車(chē)輛使用多達(dá)數(shù)百個(gè)ECU，這要求電源管理必須更高效，汽車(chē)電池和負(fù)載點(diǎn)之間的電源路徑更安全，以減少電子器件失效情況發(fā)生。用電子保險(xiǎn)(eFuse)代替?zhèn)鹘y(tǒng)保險(xiǎn)絲，可以提高電氣安全性。傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲在導(dǎo)體過(guò)載時(shí)就會(huì)過(guò)熱熔化，而電子保險(xiǎn)則是控制輸出電壓，限制輸出電流，為負(fù)載提供正確的電壓和電流；在失效持續(xù)出現(xiàn)時(shí)，最終斷開(kāi)負(fù)載連接。大電流用電環(huán)境在處理高能放電方面提出了嚴(yán)格的要求，因此，需要魯棒性和可靠性俱佳的功率開(kāi)關(guān)管。

大電流功率開(kāi)關(guān)管

大電流功率開(kāi)關(guān)管是一個(gè)串聯(lián)到主電源軌并由邏輯電路控制的低電阻MOSFET晶體管，集成了各種保護(hù)、診斷和檢測(cè)功能。在大功率汽車(chē)電源系統(tǒng)中，通過(guò)背靠背連接的MOSFET開(kāi)關(guān)管，可以保證保險(xiǎn)盒對(duì)電流雙向控制，為電源路徑提供強(qiáng)大的保護(hù)（圖 1）。

圖1 雙向大電流功率開(kāi)關(guān)保護(hù)配置

電阻器 (RLIM)實(shí)時(shí)檢測(cè)電源軌電流，eFuse電子保險(xiǎn)調(diào)整 MOSFET的柵源電壓(V_GS)，將電流限制在目標(biāo)值，保持電流恒定。如果發(fā)生強(qiáng)過(guò)流或短路，控制器就會(huì)斷開(kāi)負(fù)載，保護(hù)電源。

在負(fù)載開(kāi)通時(shí)，eFuse按照預(yù)設(shè)值提高輸出電壓，確保涌流保持在安全范圍內(nèi)，從而保護(hù)負(fù)載和電源。這種情況對(duì)功率 MOSFET提出了嚴(yán)格的要求，它們必須經(jīng)受住ECU 輸入端的大容量電容器陣列的軟充電階段線性模式的恒定電流。

當(dāng)負(fù)載斷開(kāi)時(shí)，與連接主電池和終端應(yīng)用負(fù)載的線束相關(guān)的寄生雜散電感釋放能量，功率 MOSFET處于電壓應(yīng)力狀態(tài)。

總之，功率 MOSFET 必須滿(mǎn)足以下要求(表 1)：

表1 對(duì)功率MOSFET的要求

意法半導(dǎo)體新推出的STPOWER STripFET F8 MOSFET技術(shù)完全符合 AEC Q101 標(biāo)準(zhǔn)，體現(xiàn)了所有的設(shè)計(jì)重大改進(jìn)之處，確保開(kāi)關(guān)管具有高能效和高魯棒性，從而實(shí)現(xiàn)安全可靠的開(kāi)關(guān)性能。

STL325N4LF8AG 是一款 40V MOSFET，采用 PowerFLAT 5x6 無(wú)引線封裝，靜態(tài)導(dǎo)通電阻(RDS(on))不足一毫歐，小于0.75m?，因此，導(dǎo)通損耗非常低。

MOSFET選型關(guān)鍵參數(shù)

對(duì)于12V 鉛酸電池供電的傳統(tǒng)汽車(chē)負(fù)載，功率開(kāi)關(guān)必須承受 ECU要求的高達(dá) 160 A 至 200 A 的連續(xù)電流，以實(shí)現(xiàn) 1kW 范圍內(nèi)的功率輸出。

1.開(kāi)通狀態(tài)

除了大電流之外，功率 MOSFET 還必須耐受 ECU 輸入端的大容量電容器陣列的預(yù)充電階段軟點(diǎn)火所需的恒定電流，使ECU 輸入引腳上的電壓上升平滑，從而避免任何高壓振蕩和電流尖峰。

可以用圖 2 所示的基準(zhǔn)電路圖測(cè)試開(kāi)關(guān)管在軟充電階段的魯棒性。

圖2 軟充電魯棒性驗(yàn)證基準(zhǔn)電路

該電路可以用恒定電流對(duì)負(fù)載電容 (CLOAD)充電：通過(guò)調(diào)節(jié) V1 和 VDD 電壓值，可以使電流保持恒定，從而為 CLOAD 設(shè)置特定的充電時(shí)間。 測(cè)試電容是94mF堆棧電容 ，負(fù)載和電源電壓為 15V。

對(duì)于 STL325N4LF8AG，考慮了兩種不同的測(cè)量設(shè)置情況：

●   案例1：一個(gè)開(kāi)關(guān)管，電流為1.7A，持續(xù)700ms；

●   案例 2：兩個(gè)并聯(lián)的開(kāi)關(guān)管，每個(gè)開(kāi)關(guān)的電流為 29A，持續(xù) 6ms。

圖 3 是案例1的線性模式操作的測(cè)量波形，圖4是案例2的線性模式操作的測(cè)量波形。

圖3 軟充電期間的基準(zhǔn)測(cè)試測(cè)量（案例 1）

圖4 軟充電期間的基準(zhǔn)測(cè)試測(cè)量（案例2）

在案例 1 中，使用接近直流操作的長(zhǎng)脈沖時(shí)間測(cè)試功率開(kāi)關(guān)的線性模式魯棒性。

在案例2 中，并聯(lián)的兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的柵極閾壓(Vth)值如下：

●   V_th1=1.49V @ 250μA

●   V_th2=1.53V @ 250μA.

Vth的閾值范圍被限定在一定范圍內(nèi)( 3%)，使兩個(gè) MOSFET的電流差很小：

●   I_D1=29A

●  I_D2=28.5A

其中，V_th1的值較低，所以I_D1略高于I_D2。

在這種情況下 (案例2)，用大電流測(cè)試功率開(kāi)關(guān)的線性模式魯棒性，脈沖時(shí)間持續(xù)幾毫秒。

在這兩種情況下，功率 MOSFET 都能夠承受線性模式工作條件，均在理論安全工作區(qū) (SOA) 范圍內(nèi)，防止器件出現(xiàn)任何熱失控。

1.關(guān)斷狀態(tài)

在關(guān)斷時(shí)，功率 MOSFET必須承受巨大的能量放電應(yīng)力。事實(shí)上，在連接主電池和終端應(yīng)用控制板的線束上，寄生雜散電感會(huì)產(chǎn)生高阻抗，造成配電系統(tǒng)出現(xiàn)一次能量巨大的放電事件。

在ECU電控單元情況中，這種能量釋放可以視為 MOSFET 關(guān)斷時(shí)的單次雪崩事件來(lái)處理，或用有源鉗位電路強(qiáng)制MOSFET回到線性工作模式。TL325N4LF8AG可以在40A的雪崩擊穿測(cè)試中保持正常工作，如圖5所示：

圖5 STL325N4LF8AG在關(guān)斷時(shí)單次雪崩事件的測(cè)量波形

該器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)具有強(qiáng)大的能量處理性能。

符合ISO 7637-2標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于 12V/24V 汽車(chē)電源系統(tǒng)，eFuse電子保險(xiǎn)開(kāi)關(guān)管必須滿(mǎn)足ISO 7637-2 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要規(guī)定，能夠耐受電源軌上產(chǎn)生的劇烈的高低電能瞬變事件，在某些情況下伴隨很高的dv/dt電壓上升速率。

1.ISO 7637-2 Pulse 1標(biāo)準(zhǔn)

Pulse 1 標(biāo)準(zhǔn)描述了當(dāng)電源連接斷開(kāi)時(shí)，在與感性負(fù)載并聯(lián)的電子器件上觀察到的負(fù)電壓瞬變，如圖6所示。

圖6 ISO 7637-2 Pulse 1測(cè)試的電壓瞬變波形和參數(shù)

圖7所示的測(cè)試結(jié)果證明，STL325N4LF8AG符合ISO 7637-2 Pulse 1標(biāo)準(zhǔn)要求：

圖7 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 1測(cè)試的測(cè)量波形（右圖是放大圖）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，STL325N4LF8AG 通過(guò)了 ISO 7637-2 脈沖 1 測(cè)試，沒(méi)有發(fā)生任何失效或主要額定參數(shù)降低現(xiàn)象。

2.ISO 7637-2 Pulse 2°標(biāo)準(zhǔn)

Pulse 2a標(biāo)準(zhǔn)描述了當(dāng)與被測(cè)電子器件并聯(lián)的電路電流中斷時(shí)可能出現(xiàn)的正電壓尖峰，如圖8所示：

圖8 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測(cè)試的電壓瞬變波形和參數(shù)

圖 9 所示的測(cè)試結(jié)果證明，STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 2a標(biāo)準(zhǔn)要求：

圖9 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測(cè)試的測(cè)量波形（右圖是放大圖）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，STL325N4LF8AG 通過(guò)了 ISO 7637-2 脈沖2a測(cè)試，沒(méi)有發(fā)生任何失效或主要額定參數(shù)降低現(xiàn)象。

3.ISO 7637-2 Pulses 3a 和 3b標(biāo)準(zhǔn)

Pulses 3a 和 3b定義了受線束分布電容和電感的影響，在開(kāi)關(guān)過(guò)程可能出現(xiàn)的負(fù)電壓尖峰，如圖 11 和圖12 所示：

圖10 ISO 7637-2 pulse 3a測(cè)試的電壓瞬變

圖11 ISO 7637-2 pulse 3b測(cè)試的電壓瞬變

表2列出了各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量值：

表2 ISO 7637-2 pulses 3a和3b測(cè)試的電壓瞬態(tài)參數(shù)

圖 12 和 13是STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 3a 和 pulse 3b測(cè)試相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

圖12 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3a測(cè)試測(cè)量波形（右圖是放大圖）

圖13 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3b測(cè)試的測(cè)量波形（右圖是放大圖）

STL325N4LF8AG的pulse 3a和3b測(cè)試結(jié)果令人滿(mǎn)意。

4.ISO 7637-2 脈沖 5a 和 5b（負(fù)載突降）

Pulses 5a 和5b是對(duì)負(fù)載突降瞬變電壓的模擬測(cè)試。負(fù)載突降是指在交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生充電電流的期間，放電電池?cái)嚅_(kāi)連接，同時(shí)其他負(fù)載仍連接交流發(fā)電機(jī)的情況，如圖 14 和15 所示：

圖14 ISO 7637-2 pulse 5a測(cè)試的電壓瞬變

圖15 ISO 7637-2 pulse 5b測(cè)試的電壓瞬變

表3列出了12V 系統(tǒng)的測(cè)試參數(shù)值：

表 3 ISO 7637-2 pulses 5a 和 5b 測(cè)試的電壓瞬態(tài)參數(shù)

圖 17和圖18所示是STL325N4LF8AG 的 ISO 7637-2 pulse 5a 和pulse 5b 測(cè)試的測(cè)量波形：

圖16 STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5a測(cè)試的測(cè)量波形

圖17 STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5 b測(cè)試的測(cè)量波形

因此，STL325N4LF8AG 也可以為系統(tǒng)提供負(fù)載突降保護(hù)。

結(jié)論

STL325N4LF8AG采用意法半導(dǎo)體新開(kāi)發(fā)的STripFET F8制造技術(shù)，為應(yīng)對(duì)eFuse電子保險(xiǎn)應(yīng)用的所有相關(guān)電壓應(yīng)力狀況而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，在電源關(guān)閉和開(kāi)通狀態(tài)，能夠承受相關(guān)的電壓應(yīng)力。此外，該MOSFET還通過(guò)了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) ISO 7637-2規(guī)定的12V/24V汽車(chē)電池系統(tǒng)導(dǎo)通瞬變測(cè)試。同級(jí)一流的性能使 STL325N4LF8AG 成為在惡劣的汽車(chē)應(yīng)用中設(shè)計(jì)更安全的配電系統(tǒng)的理想選擇。

參考文獻(xiàn)

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