稳健的汽车40V 功率MOSFET提高汽车安全性

发布时间:2024-07-24  

  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。

1.jpg

  图1. EPS和EPB系统的伺服单元拓扑

  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。

  2. 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:

  1.开关损耗和导通损耗非常低

  2.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

  5.出色的过流和短路保护

  6.热管理和散热效率高

  7.采用稳定的SMD封装

  8.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。

b1.jpg

  表1. STL285N4F7AG与竞品参数测量值比较表

  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。

  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。

2.jpg

  图2. STL285N4F7AG与竞品的Crss/Ciss电容比测量值比较

  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。

3.jpg

  图3:STL285N4F7AG与竞品的体-漏二极管性能测量值比较

  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:

  - 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。

  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)。

4.jpg

  图4. STL285N4F7AG的dv/dt t测量值

5.jpg

  图5. 竞品的dv/dt测量值

  2.2. 短路实验性能测试

  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:

6.jpg

  图6:测试板

  按照以下步骤完成实验:

  1)用曲线测量仪预先测试主要电气参数;

  2)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。

  测量结果如图7所示。 

7.jpg

图7:STL285N4F7AG短路测试

  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)。

8.jpg

  图8. STL285N4F7AG失效时的电流测量值(Id > 2400A)

  3. 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。

  4. 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

  [3] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: "Power Electronics Converters, Applications and Design" 2nd edition J. Wiley & Sons NY 1995

  [4] B. Murari, F. Berrotti, G.A. Vignola " Smart Power ICs: Technologies and Applications" 2nd Edition


文章来源于:电子工程世界    原文链接
本站所有转载文章系出于传递更多信息之目的,且明确注明来源,不希望被转载的媒体或个人可与我们联系,我们将立即进行删除处理。

我们与500+贴片厂合作,完美满足客户的定制需求。为品牌提供定制化的推广方案、专属产品特色页,多渠道推广,SEM/SEO精准营销以及与公众号的联合推广...详细>>

利用葫芦芯平台的卓越技术服务和新产品推广能力,原厂代理能轻松打入消费物联网(IOT)、信息与通信(ICT)、汽车及新能源汽车、工业自动化及工业物联网、装备及功率电子...详细>>

充分利用其强大的电子元器件采购流量,创新性地为这些物料提供了一个全新的窗口。我们的高效数字营销技术,不仅可以助你轻松识别与连接到需求方,更能够极大地提高“闲置物料”的处理能力,通过葫芦芯平台...详细>>

我们的目标很明确:构建一个全方位的半导体产业生态系统。成为一家全球领先的半导体互联网生态公司。目前,我们已成功打造了智能汽车、智能家居、大健康医疗、机器人和材料等五大生态领域。更为重要的是...详细>>

我们深知加工与定制类服务商的价值和重要性,因此,我们倾力为您提供最顶尖的营销资源。在我们的平台上,您可以直接接触到100万的研发工程师和采购工程师,以及10万的活跃客户群体...详细>>

凭借我们强大的专业流量和尖端的互联网数字营销技术,我们承诺为原厂提供免费的产品资料推广服务。无论是最新的资讯、技术动态还是创新产品,都可以通过我们的平台迅速传达给目标客户...详细>>

我们不止于将线索转化为潜在客户。葫芦芯平台致力于形成业务闭环,从引流、宣传到最终销售,全程跟进,确保每一个potential lead都得到妥善处理,从而大幅提高转化率。不仅如此...详细>>