穩健的汽車40V功率MOSFET提高汽車安全性

意法半導體最先進的40V功率MOSFET可以完全滿足EPS(電動助力轉向系統)和EPB(電子駐車制動系統)等汽車安全系統的機械、環境和電氣要求。這些機電系統非得符合汽車AECQ101規范，詳盡而言，低壓MOSFET非得耐受高溫柔高尖峰電流。

1.前言

EPS和EPB系統均由兩個主要部件組成：電動伺服單元和機械齒輪單元。電動伺服單元將電機的旋轉運動傳給機械齒輪單元，進行扭矩放大，執行機械動作。電動伺服單元是用功率MOSFET實現的兩相或三相逆變器，如圖1所示。

圖1.EPS和EPB系統的伺服單元拓撲

圖中負載是一臺電機，通常是永磁無刷直流電機(BLDC)，由一個12V電池進行供電。

2.汽車對功率MOSFET的要求

EPS和EPB逆變器所用的40V功率MOSFET，要想符合AECQ101汽車認證標準，非得滿足以下所有要求：

1.開關損耗和導通損耗非常低

2.輸出電流大

3.Ciss/Crss比值小，EMI抗擾性強

4.優異的耐雪崩性能

5.出色的過流和短路保護

6.熱管理和散熱效率高

7.采用穩定的SMD封裝

8.抗負載突降和ESD能力優異

2.1.AECQ101功率MOSFET的參數測量值

我們選擇一些符合EPS和EPB系統要求的競品，與意法半導體的40V汽車功率MOSFET進行對比試驗。表1列出了意法半導體的STL285N4F7AG汽車40V功率MOSFET和同級競品的主要參數測量值。

表1.STL285N4F7AG與競品參數測量值比較表

由于兩個安全系統的工作電壓都是在12V-13.5V區間，功率MOSFET的標稱電壓是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操作過程中因寄生電感而萌生的過壓。為抑制導通期間的壓差，靜態導通電阻(RDSon)最好低于1m。惟有本征電容和Rg都很小，開關損耗才能降至最低，從而實現快速的開關操作。Crss/Ciss比率是一個非常敏感的參數，有助于戒備米勒效應導致的任何異常導通，并可以更好地控制di/dt和dV/dt速率，配合體-漏二極管Qrr反向恢復電荷和反向恢復軟度，可顯著降低器件對EMI的敏感度。

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

圖2.STL285N4F7AG與競品的Crss/Ciss電容比測量值比較

此外，圖3所示是意法半導體的STL285N4F7AG的體-漏二極管與競品的性能測量值比較圖。

圖3：STL285N4F7AG與競品的體-漏二極管性能測量值比較

測量參數聲明，對于一個固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢復電荷(Qrr)和恢復時間(Trr)都小于競品，這個特性的好處歸納如下：

-低Qrr可降低逆變器在開啟時的動態損耗，并優化功率級的EMI特性

-更好的Trr可改善二極管恢復電壓上升速率(dv/dt)的動態峰值。在續流期間電流流過體漏二極管時，Trr是導致電橋故障的常見主要原由。

因此，dv/dt是保證閂鎖效應耐受能力的緊要參數，測量結果顯示，意法半導體產品的dv/dt性能(圖4)優于競品(圖5)。

圖4.STL285N4F7AG的dv/dtt測量值

圖5.競品的dv/dt測量值

2.2.短路試驗性能探測

我們通過一個短路試驗來測量、驗證意法半導體40V汽車功率MOSFET在汽車安全使用中的穩定性。電子系統可能因各種原由而發生短路，例如，存在濕氣、缺乏絕緣保護、電氣部件意外接觸和電壓過高。因為短路通常是意外造成的，所以短路很少是永久的，一般繼續幾微秒。在短路期間，整個系統，特別是功率級非得承受多個高電流事件。我們用STL285N4F7AG和探測板做了一個短路試驗，測量結果如圖6所示：

圖6：探測板

按照以下步驟完成試驗：

1）用曲線測量儀預先探測主要電氣參數

2）探測板加熱至135C，并施加兩次10s的短路脈沖，間隔小于1s。限流器保護功能激活做一次試驗，不激活做一次試驗。

3）對器件進行去焊解決，并再次測量主要電氣參數，檢查功率MOSFET的完整性或性能衰減。

測量結果如圖7所示。

圖7：STL285N4F7AG短路探測

在短路事件過程中測量到的實際電流值是在2000A范圍內，脈沖繼續時間為10s。我們進行了十次探測，Tperiod=5s。STL285N4F7AG成功地承受住短路沖擊，未發生任何故障；但當電流值大于2400A時，出現故障（圖8）。

圖8.STL285N4F7AG失效時的電流測量值(Id2400A)

3.結論

試驗數據聲明，意法半導體最先進的AEC-Q10140V功率MOSFET可輕松符合汽車安全系統的嚴格要求。因此，意法半導體的新溝槽N溝道器件是汽車EPS和EPB系統的最佳選擇。

4.參考文獻

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