稳健的汽车40V 功率MOSFET提高汽车安全性

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稳健的汽车40V 功率MOSFET提高汽车安全性

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

$ n* S; x8 d- `: q* K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。

6 K% E0 S0 n' a) N9 M8 ~2 G2. 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：
5 f: G$ H. A8 V& w
3 l6 Y" z7 p/ ^$ N: L1.开关损耗和导通损耗非常低

6 t( o4 o, ^- ]( E' f( z2.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

/ w' l; J5 j8 ~2 m% a1 G5.出色的过流和短路保护
/ }6 n: k; R2 k. L% |# B
6.热管理和散热效率高
8 v4 [; h- V! i: t4 H- F+ c2 u
7.采用稳定的SMD封装
& C" S0 `+ b$ X9 G4 `+ T7 [
. [* I' U: {; m$ S6 @: Q8.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。

表1. STL285N4F7AG与竞品参数测量值比较表

& O# U/ [' r% K0 @, }8 I/ G
# W( f8 U' @$ l* u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。
6 d' ~) d7 O$ k9 s$ |
3 L. ]) e+ f0 [! l& s( A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。

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图2. STL285N4F7AG与竞品的Crss/Ciss电容比测量值比较

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0 C0 O( T: z* N' O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。

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图3：STL285N4F7AG与竞品的体-漏二极管性能测量值比较

$ ~: v& f* {1 W9 b% z
( ]3 `3 v. ^9 u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：

6 C% l# Y4 U# x% O5 Z# n; E; R8 i-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。
4 _! I* X( b* [8 {6 E
9 s* T  y" @) G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)。
9 [' `9 ^2 R1 _( W: P4 r
9 [  x% Q! G0 |( v

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图4. STL285N4F7AG的dv/dt t测量值

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图5. 竞品的dv/dt测量值

3 j" ^- R6 z" e& ]4 @' m7 ?; Z
& b0 L% }2 o+ |* Y2 b
4 g6 l7 F. F0 t+ {2.2. 短路实验性能测试
: x  m) p9 E' j5 u9 Q6 g, i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：

7 V* s4 S5 K; P, E2 m7 X/ x

图6：测试板

3 Y7 C; u. T& r0 A" t! }
: d: z. c8 x9 ~按照以下步骤完成实验：
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1）用曲线测量仪预先测试主要电气参数;

. f: w$ P2 `$ P, A" U" y& Y2）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。
9 L- ]6 l& w# ~8 p6 u6 ]
, f) \: u% ]) Z6 @0 c测量结果如图7所示。

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0 {$ I8 _* [6 q# h+ z

图7：STL285N4F7AG短路测试

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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）。
( Z7 d. a; x6 n$ S1 S0 `

图8. STL285N4F7AG失效时的电流测量值(Id > 2400A)

8 q; P* R. r$ E8 y% ]) Y3. 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。
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9 b; k8 d: y1 ?( F) L4. 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

7 k) N: ?6 M* o: a$ O2 O7 W; H[3] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: "Power Electronics Converters, Applications and Design" 2nd edition J. Wiley & Sons NY 1995
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0 [/ O% L4 C) N& z. v/ _[4] B. Murari, F. Berrotti, G.A. Vignola " Smart Power ICs: Technologies and Applications" 2nd Edition
( s9 i* _0 J/ Q2 x2 p" o& A
2 F% \& }. d+ Q

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学习了