摘要

意法半導體最先進的40Vc可以完全滿足EPS (電動助力轉向系統(tǒng))和EPB (電子駐車制動系統(tǒng)) 等汽車安全系統(tǒng)的機械、環(huán)境和電氣要求,。 這些機電系統(tǒng)必須符合汽車AEC Q101規(guī)范,，具體而言，低壓MOSFET必須耐受高溫和高尖峰電流,。

1. 前言

EPS和EPB系統(tǒng)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(zhí)行機械動作,。電動伺服單元是用功率MOSFET實現(xiàn)的兩相或三相逆變器，如圖1所示,。

圖1. EPS和EPB系統(tǒng)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AEC Q101汽車認證標準，必須滿足以下所有要求：

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(yōu)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(wěn)定的SMD封裝

8.抗負載突降和ESD能力優(yōu)異

2.1. AEC Q101功率MOSFET的參數(shù)測量值

我們選擇一些符合EPS和EPB系統(tǒng)要求的競品,，與意法半導體的40V汽車功率MOSFET進行對比實驗。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(shù)測量值,。

表1. STL285N4F7AG與競品參數(shù)測量值比較表

由于兩個安全系統(tǒng)的工作電壓都是在12V-13.5V區(qū)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產生的過壓,。為抑制導通期間的壓差，靜態(tài)導通電阻(RDSon)最好低于1mΩ,。只有本征電容和Rg都很小,，開關損耗才能降至最低，從而實現(xiàn)快速的開關操作,。Crss/Ciss比率是一個非常敏感的參數(shù),，有助于防止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(yōu)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(shù)表明，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(tài)損耗，并優(yōu)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(tài)峰值,。在續(xù)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因。

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

圖4. STL285N4F7AG的dv/dt t測量值

圖5. 競品的dv/dt測量值 

2.2. 短路實驗性能測試 

我們通過一個短路實驗來測量、驗證意法半導體40V汽車功率MOSFET在汽車安全應用中的穩(wěn)定性,。電子系統(tǒng)可能因各種原因而發(fā)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,，一般持續(xù)幾微秒,。在短路期間，整個系統(tǒng),，特別是功率級必須承受多個高電流事件,。我們用STL285N4F7AG和測試板做了一個短路實驗，測量結果如圖6所示,。

圖6：測試板

按照以下步驟完成實驗：

1）用曲線測量儀預先測試主要電氣參數(shù);

2）測試板加熱至135°C,，并施加兩次10μs的短路脈沖，間隔小于1s,。限流器保護功能激活做一次實驗,，不激活做一次實驗。

3）對器件進行去焊處理,，并再次測量主要電氣參數(shù),，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短路測試

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

圖8. STL285N4F7AG失效時的電流測量值(Id > 2400A)

3. 結論

實驗數(shù)據(jù)表明,，意法半導體最先進的AEC-Q101 40V功率MOSFET可輕松符合汽車安全系統(tǒng)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(tǒng)的最佳選擇,。

4. 參考文獻

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[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