動態焦點:車規MOSFET技術確保功率開關管的可靠性和強電流處理能力

2023-02-09 15:13:16 來源: 電子創新網

作者：意法半導體意大利Catania公司，Giusy Gambino

如今，出行生態系統不斷地給汽車設計帶來新的挑戰，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) 增加互聯和云計算功能，必須開發新的解決方案來應對這些技術挑戰。

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生。用電子保險(eFuse)代替傳統保險絲，可以提高電氣安全性。傳統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；在失效持續出現時，最終斷開負載連接。大電流用電環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。

(資料圖片)

大電流功率開關管

大電流功率開關管是一個串聯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 (R_LIM)實時檢測電源軌電流，eFuse電子保險調整 MOSFET的柵源電壓(V_GS)，將電流限制在目標值，保持電流恒定。如果發生強過流或短路，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。

總之，功率 MOSFET 必須滿足以下要求(表 1)：

Power ? MOSFET功率MOSFET
Working Condition工作狀態	Requirement要求
On-state通態	Low conduction loss低導通損耗
Start-up開通	Linear mode ruggedness線性模式魯棒性
Turn-off關斷	Energy handling能量處理能力

表1.對功率MOSFET的要求。

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，靜態導通電阻(R_DS(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 的連續電流，以實現 1kW 范圍內的功率輸出。

1.開通狀態

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 (C_LOAD)充電：通過調節 V₁和 V_DD電壓值，可以使電流保持恒定，從而為 C_LOAD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700ms；

●?案例 2：兩個并聯的開關管，每個開關的電流為 29A，持續 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，并聯的兩個功率開關管的柵極閾壓(V_th)值如下：

● V_th1= 1.49V @ 250μA

●?V_th2= 1.53V @ 250μA.

V_th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：

●?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)，用大電流測試功率開關的線性模式魯棒性，脈沖時間持續幾毫秒。

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 (SOA) 范圍內，防止器件出現任何熱失控。

1.關斷狀態

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，造成配電系統出現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，eFuse電子保險開關管必須滿足ISO 7637-2 國際標準的主要規定，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，在與感性負載并聯的電子器件上觀察到的負電壓瞬變，如圖 6 所示。

Parameter	Value	Unit
U_A	13.5	V
U_S	-100	V
t_d	2	ms
t_r	1 (+0/-0.5)	μs
t₁	≥ ? 0.5	s
t₂	200	ms
t₃	< ? 100	μs
R_i	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，沒有發生任何失效或主要額定參數降低現象。

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的電路電流中斷時可能出現的正電壓尖峰，如圖 8 所示：

Parameter	Value	Unit
U_P	13.5 ? ± 5%	V
U_S	+100 ± 5%	V
t_d	50 ? ± 10%	μs
t_r	1 ± 10%	μs
t₁	0.5 ? ± 10%	s
R_i	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，沒有發生任何失效或主要額定參數降低現象。

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：

Parameter參數	Pulse 3a Value數值	Pulse 3b Value數值	Unit單位
U_P	13.5	3.5 ± 0.5	V
U_S	-150	+100 ± 5 %	V
t_d	100	50 ? ± 45	ns
t_r	5	5 ± 1.5	ns
t₁	100	100 ± 20 %	μs
t₄	10	10 ± 20 %	ms
t₅	90	90 ± 20 %	ms
R_i	50	50 ± 20 %	?
Duration時長	1	h

表 2. ISO 7637-2 pulses 3a和 3b測試的電壓瞬態參數。

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 系統的測試參數值：

Parameter	Pulse 5a Value	Pulse 5b Value	Unit
U_S	65 ? to 87	65 ? to 87	V
U_S^*	35.2	V
t_d	40 ? to 400	40 ? to 400	ms
t_r	5 to 10	5 to 10	ms
R_i	0.5 ? to 4	0.5 ? to 4	?

表3. ISO 7637-2 pulses5a 和5b 測試的電壓瞬態參數。

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 也可以為系統提供負載突降保護。

結論

STL325N4LF8AG采用意法半導體新開發的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，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規定的12V/24V汽車電池系統導通瞬變測試。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的理想選擇。

References參考文獻

[1]? R. Bojoi, F. Fusillo, A. Raciti, S. Musumeci, F. Scrimizzi and S. Rizzo, "Full-bridge DC-DC power converter for telecom applications with advanced trench gate MOSFETs", IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), Turin 2018.

[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”, 2^ndIEEE 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.

關鍵詞：實驗數據電子器件恒定電流測試結果脈沖時間

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