車規(guī)MOSFET技術確保功率開關管的可靠性和強電流處理能力
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如今，出行生態(tài)系統(tǒng)不斷地給汽車設計帶來新的挑戰(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，隨著汽車電控制單元 (ECU) 增加互聯(lián)和云計算功能，必須開發(fā)新的解決方案來應對這些技術挑戰(zhàn)。
本文引用地址：http://www.antipu.com.cn/article/202302/443184.htm高端車輛使用多達數百個ECU，這要求電源管理必須更高效，汽車電池和負載點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(eFuse)代替?zhèn)鹘y(tǒng)保險絲，可以提高電氣安全性。傳統(tǒng)保險絲在導體過載時就會過熱熔化，而電子保險則是控制輸出電壓，限制輸出電流，為負載提供正確的電壓和電流；在失效持續(xù)出現(xiàn)時，最終斷開負載連接。大電流用電環(huán)境在處理高能放電方面提出了嚴格的要求，因此，需要魯棒性和可靠性俱佳的功率開關管。
大電流功率開關管
大電流功率開關管是一個串聯(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、診斷和檢測功能。在大功率汽車電源系統(tǒng)中，通過背靠背連接的MOSFET開關管，可以保證保險盒對電流雙向控制，為電源路徑提供強大的保護（圖 1）。
圖1 雙向大電流功率開關保護配置
電阻器 (RLIM)實時檢測電源軌電流，eFuse電子保險調整 MOSFET的柵源電壓(VGS)，將電流限制在目標值，保持電流恒定。如果發(fā)生強過流或短路，控制器就會斷開負載，保護電源。
在負載開通時，eFuse按照預設值提高輸出電壓，確保涌流保持在安全范圍內，從而保護負載和電源。這種情況對功率 MOSFET提出了嚴格的要求，它們必須經受住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。
當負載斷開時，與連接主電池和終端應用負載的線束相關的寄生雜散電感釋放能量，功率 MOSFET處于電壓應力狀態(tài)。
總之，功率 MOSFET 必須滿足以下要求(表 1)：
表1 對功率MOSFET的要求
功率MOSFET | |
工作狀態(tài) | 要求 |
通態(tài) | 低導通損耗 |
開通 | 線性模式魯棒性 |
關斷 | 能量處理能力 |
意法半導體新推出的STPOWER STripFET F8 MOSFET技術完全符合 AEC Q101 標準，體現(xiàn)了所有的設計重大改進之處，確保開關管具有高能效和高魯棒性，從而實現(xiàn)安全可靠的開關性能。
STL325N4LF8AG 是一款 40V MOSFET，采用 PowerFLAT 5x6 無引線封裝，靜態(tài)導通電阻(RDS(on))不足一毫歐，小于0.75m?，因此，導通損耗非常低。
MOSFET選型關鍵參數
對于12V 鉛酸電池供電的傳統(tǒng)汽車負載，功率開關必須承受 ECU要求的高達 160 A 至 200 A 的連續(xù)電流，以實現(xiàn) 1kW 范圍內的功率輸出。
1.開通狀態(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充電階段軟點火所需的恒定電流，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 所示的基準電路圖測試開關管在軟充電階段的魯棒性。
圖2 軟充電魯棒性驗證基準電路
該電路可以用恒定電流對負載電容 (CLOAD)充電：通過調節(jié) V1 和 VDD 電壓值，可以使電流保持恒定，從而為 CLOAD 設置特定的充電時間。 測試電容是94mF堆棧電容 ，負載和電源電壓為 15V。
對于 STL325N4LF8AG，考慮了兩種不同的測量設置情況：
● 案例1：一個開關管，電流為1.7A，持續(xù)700ms；
● 案例 2：兩個并聯(lián)的開關管，每個開關的電流為 29A，持續(xù) 6ms。
圖 3 是案例1的線性模式操作的測量波形，圖4是案例2的線性模式操作的測量波形。
圖3 軟充電期間的基準測試測量（案例 1）
圖4 軟充電期間的基準測試測量（案例2）
在案例 1 中，使用接近直流操作的長脈沖時間測試功率開關的線性模式魯棒性。
在案例2 中，并聯(lián)的兩個功率開關管的柵極閾壓(Vth)值如下：
● Vth1=1.49V @ 250μA
● Vth2=1.53V @ 250μA.
Vth的閾值范圍被限定在一定范圍內( 3%)，使兩個 MOSFET的電流差很小：
● ID1=29A
● ID2=28.5A
其中，Vth1的值較低，所以ID1略高于ID2。
在這種情況下 (案例2)，用大電流測試功率開關的線性模式魯棒性，脈沖時間持續(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，防止器件出現(xiàn)任何熱失控。
1.關斷狀態(tài)
在關斷時，功率 MOSFET必須承受巨大的能量放電應力。事實上，在連接主電池和終端應用控制板的線束上，寄生雜散電感會產生高阻抗，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 關斷時的單次雪崩事件來處理，或用有源鉗位電路強制MOSFET回到線性工作模式。TL325N4LF8AG可以在40A的雪崩擊穿測試中保持正常工作，如圖5所示：
圖5 STL325N4LF8AG在關斷時單次雪崩事件的測量波形
該器件在關斷狀態(tài)時具有強大的能量處理性能。
符合ISO 7637-2標準
對于 12V/24V 汽車電源系統(tǒng)，eFuse電子保險開關管必須滿足ISO 7637-2 國際標準的主要規(guī)定，能夠耐受電源軌上產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標準
Pulse 1 標準描述了當電源連接斷開時，在與感性負載并聯(lián)的電子器件上觀察到的負電壓瞬變，如圖6所示。
Parameter | Value | Unit |
UA | 13.5 | V |
US | -100 | V |
td | 2 | ms |
tr | 1 (+0/-0.5) | μs |
t1 | ≥ 0.5 | s |
t2 | 200 | ms |
t3 | < 100 | μs |
Ri | 10 | ? |
Duration | 5000 | pulses |
圖6 ISO 7637-2 Pulse 1測試的電壓瞬變波形和參數
圖7所示的測試結果證明，STL325N4LF8AG符合ISO 7637-2 Pulse 1標準要求：
圖7 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 1測試的測量波形（右圖是放大圖）
實驗數據證明，STL325N4LF8AG 通過了 ISO 7637-2 脈沖 1 測試，沒有發(fā)生任何失效或主要額定參數降低現(xiàn)象。
2.ISO 7637-2 Pulse 2°標準
Pulse 2a標準描述了當與被測電子器件并聯(lián)的電路電流中斷時可能出現(xiàn)的正電壓尖峰，如圖8所示：
Parameter | Value | Unit |
UP | 13.5 ± 5% | V |
US | +100 ± 5% | V |
td | 50 ± 10% | μs |
tr | 1 ± 10% | μs |
t1 | 0.5 ± 10% | s |
Ri | 10 ± 10% | ? |
Duration | 1 ± 10% | h |
圖8 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測試的電壓瞬變波形和參數
圖 9 所示的測試結果證明，STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 2a標準要求：
圖9 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測試的測量波形（右圖是放大圖）
實驗數據證明，STL325N4LF8AG 通過了 ISO 7637-2 脈沖2a測試，沒有發(fā)生任何失效或主要額定參數降低現(xiàn)象。
3.ISO 7637-2 Pulses 3a 和 3b標準
Pulses 3a 和 3b定義了受線束分布電容和電感的影響，在開關過程可能出現(xiàn)的負電壓尖峰，如圖 11 和圖12 所示：
圖10 ISO 7637-2 pulse 3a測試的電壓瞬變
圖11 ISO 7637-2 pulse 3b測試的電壓瞬變
表2列出了各項參數的測量值：
表2 ISO 7637-2 pulses 3a和3b測試的電壓瞬態(tài)參數
參數 | Pulse 3a Value數值 | Pulse 3b Value數值 | 單位 |
UP | 13.5 | 3.5 ± 0.5 | V |
US | -150 | +100 ± 5 % | V |
td | 100 | 50 ± 45 | ns |
tr | 5 | 5 ± 1.5 | ns |
t1 | 100 | 100 ± 20 % | μs |
t4 | 10 | 10 ± 20 % | ms |
t5 | 90 | 90 ± 20 % | ms |
Ri | 50 | 50 ± 20 % | ? |
Duration時長 | 1 | h |
圖 12 和 13是STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 3a 和 pulse 3b測試相關的實驗數據：
圖12 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3a測試測量波形（右圖是放大圖）
圖13 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3b測試的測量波形（右圖是放大圖）
STL325N4LF8AG的pulse 3a和3b測試結果令人滿意。
4.ISO 7637-2 脈沖 5a 和 5b（負載突降）
Pulses 5a 和5b是對負載突降瞬變電壓的模擬測試。負載突降是指在交流發(fā)電機產生充電電流的期間，放電電池斷開連接，同時其他負載仍連接交流發(fā)電機的情況，如圖 14 和15 所示：
圖14 ISO 7637-2 pulse 5a測試的電壓瞬變
圖15 ISO 7637-2 pulse 5b測試的電壓瞬變
表3列出了12V 系統(tǒng)的測試參數值：
表 3 ISO 7637-2 pulses 5a 和 5b 測試的電壓瞬態(tài)參數
Parameter | Pulse 5a Value | Pulse 5b Value | Unit |
US | 65 to 87 | 65 to 87 | V |
US* | 35.2 | V | |
td | 40 to 400 | 40 to 400 | ms |
tr | 5 to 10 | 5 to 10 | ms |
Ri | 0.5 to 4 | 0.5 to 4 | ? |
圖 17和圖18所示是STL325N4LF8AG 的 ISO 7637-2 pulse 5a 和pulse 5b 測試的測量波形：
圖16 STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5a測試的測量波形
圖17 STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5 b測試的測量波形
因此，STL325N4LF8AG 也可以為系統(tǒng)提供負載突降保護。
結論
STL325N4LF8AG采用意法半導體新開發(fā)的STripFET F8制造技術，為應對eFuse電子保險應用的所有相關電壓應力狀況而專門設計，在電源關閉和開通狀態(tài)，能夠承受相關的電壓應力。此外，該MOSFET還通過了國際標準 ISO 7637-2規(guī)定的12V/24V汽車電池系統(tǒng)導通瞬變測試。同級一流的性能使 STL325N4LF8AG 成為在惡劣的汽車應用中設計更安全的配電系統(tǒng)的理想選擇。
參考文獻
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[2] S. Musumeci, F. Scrimizzi, G. Longo, C. Mistretta and D. Cavallaro, “Trench-gate MOSFET application as active fuse in low voltage battery management system”, 2nd IEEE International Conference on Industrial Electronics for Sustainable Energy Systems (IESES), 2020.
[3] G. Breglio, F. Frisina, A. Magrì and P. Spirito, “Electro-thermal instability in low voltage power MOS: experimental characterization”, IEEE ISPSD, Toronto 1999.
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