摘要

意法半導(dǎo)體最先進(jìn)的40Vc可以完全滿足EPS (電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))和EPB (電子駐車制動(dòng)系統(tǒng)) 等汽車安全系統(tǒng)的機(jī)械,、環(huán)境和電氣要求。 這些機(jī)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(gè)主要部件組成：電動(dòng)伺服單元和機(jī)械齒輪單元,。電動(dòng)伺服單元將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給機(jī)械齒輪單元,，進(jìn)行扭矩放大，執(zhí)行機(jī)械動(dòng)作,。電動(dòng)伺服單元是用功率MOSFET實(shí)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?fù)?/em>

圖中負(fù)載是一臺(tái)電機(jī),，通常是永磁無刷直流電機(jī)(BLDC),，由一個(gè)12V電池進(jìn)行供電,。

2. 汽車對(duì)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(rèn)證標(biāo)準(zhǔn),，必須滿足以下所有要求：

1.開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗非常低

2.輸出電流大

3. Ciss/Crss比值小,，EMI抗擾性強(qiáng)

4.優(yōu)異的耐雪崩性能

5.出色的過流和短路保護(hù)

6.熱管理和散熱效率高

7.采用穩(wěn)定的SMD封裝

8.抗負(fù)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(dǎo)體的40V汽車功率MOSFET進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),。表1列出了意法半導(dǎo)體的STL285N4F7AG汽車40V功率MOSFET和同級(jí)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(gè)安全系統(tǒng)的工作電壓都是在12V-13.5V區(qū)間，功率MOSFET的標(biāo)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(guān)操作過程中因寄生電感而產(chǎn)生的過壓,。為抑制導(dǎo)通期間的壓差,，靜態(tài)導(dǎo)通電阻(RDSon)最好低于1mΩ。只有本征電容和Rg都很小,，開關(guān)損耗才能降至最低,，從而實(shí)現(xiàn)快速的開關(guān)操作。Crss/Ciss比率是一個(gè)非常敏感的參數(shù),，有助于防止米勒效應(yīng)導(dǎo)致的任何異常導(dǎo)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(fù)電荷和反向恢復(fù)軟度,，可顯著降低器件對(duì)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(dǎo)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(duì)于一個(gè)固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢復(fù)電荷(Qrr)和恢復(fù)時(shí)間(Trr)都小于競品,，這個(gè)特性的好處歸納如下：

-低Qrr可降低逆變器在開啟時(shí)的動(dòng)態(tài)損耗,，并優(yōu)化功率級(jí)的EMI特性;

-更好的Trr可改善二極管恢復(fù)電壓上升速率(dv/dt)的動(dòng)態(tài)峰值。在續(xù)流期間電流流過體 漏二極管時(shí),，Trr是導(dǎo)致電橋故障的常見主要原因,。

因此，dv/dt是保證閂鎖效應(yīng)耐受能力的重要參數(shù),，測量結(jié)果顯示,，意法半導(dǎo)體產(chǎn)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(shí)驗(yàn)性能測試 

我們通過一個(gè)短路實(shí)驗(yàn)來測量,、驗(yàn)證意法半導(dǎo)體40V汽車功率MOSFET在汽車安全應(yīng)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(hù)、電氣部件意外接觸和電壓過高,。因?yàn)槎搪吠ǔＪ且馔庠斐傻?，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(gè)系統(tǒng)，特別是功率級(jí)必須承受多個(gè)高電流事件,。我們用STL285N4F7AG和測試板做了一個(gè)短路實(shí)驗(yàn),，測量結(jié)果如圖6所示。

圖6：測試板

按照以下步驟完成實(shí)驗(yàn)：

1）用曲線測量儀預(yù)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(hù)功能激活做一次實(shí)驗(yàn),，不激活做一次實(shí)驗(yàn),。

3）對(duì)器件進(jìn)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(jié)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(shí)際電流值是在2000A范圍內(nèi),，脈沖持續(xù)時(shí)間為10μs,。我們進(jìn)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(dāng)電流值大于2400A時(shí),，出現(xiàn)故障（圖8）,。

圖8. STL285N4F7AG失效時(shí)的電流測量值(Id > 2400A)

3. 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，意法半導(dǎo)體最先進(jìn)的AEC-Q101 40V功率MOSFET可輕松符合汽車安全系統(tǒng)的嚴(yán)格要求,。因此,，意法半導(dǎo)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(xiàn)

[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