今天，車(chē)企正在加快汽車(chē)技術(shù)創(chuàng)新步伐,，開(kāi)發(fā)出了電動(dòng)汽車(chē),、網(wǎng)聯(lián)汽車(chē),、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、共享汽車(chē)等全新的汽車(chē)概念,。汽車(chē)電動(dòng)化和數(shù)字化的大趨勢(shì)包括區(qū)域控制架構(gòu)、功率芯片驅(qū)動(dòng)數(shù)字化,、電池管理系統(tǒng),、功率電子和電源/能源管理。電控單元 (ECU)對(duì)更大功率,、更高安全性的需求日益增長(zhǎng),，推動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員去開(kāi)發(fā)智能配電解決方案。

　　智能配電概念是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù),，已經(jīng)被傳統(tǒng)燃油車(chē)配電解決方案所采用,。智能配電子系統(tǒng)開(kāi)始用于開(kāi)發(fā)高可靠性、高能效的配電解決方案,，這極大地影響了 ECU電控單元中的配電概念,，意味著傳統(tǒng)保險(xiǎn)將被固態(tài)保險(xiǎn)取代。當(dāng)超高電流尖峰引起額外的電壓應(yīng)力時(shí),，固態(tài)保險(xiǎn)可以保護(hù)系統(tǒng),，同時(shí)還可預(yù)防失效和誤操作。風(fēng)險(xiǎn)一旦抗過(guò)去,，配電系統(tǒng)就會(huì)重新啟動(dòng),，而無(wú)需更換任何電子單元或保險(xiǎn)絲,。

　　意法半導(dǎo)體全新的STPOWER STripFET F8 40V系列完美滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)對(duì)電子保險(xiǎn)(eFuse)方案的線(xiàn)性模式工作耐變性和能源管理的嚴(yán)格要求。

　　汽車(chē)配電系統(tǒng)

　　采用新的智能配電系統(tǒng)取代集中式配電架構(gòu)是汽車(chē)配電系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢(shì),，集中式配電架構(gòu)是將電能從電池分配到各個(gè)負(fù)載系統(tǒng),，配電裝置包括起到過(guò)載保護(hù)作用的中央繼電器和保險(xiǎn)盒。智能配電系統(tǒng)采用分布式架構(gòu),，包含多個(gè)通過(guò)本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)或控制器局域網(wǎng)(CAN)相互通信的小配電中心,。這種模塊化方法允許在車(chē)輛上實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制架構(gòu)，大幅減少線(xiàn)束的連接數(shù)量,，從而優(yōu)化系統(tǒng)成本和重量,，改進(jìn)電氣性能。

　　智能配電模塊又稱(chēng)電子保險(xiǎn)(eFuse),，較傳統(tǒng)配電方案有很大的優(yōu)勢(shì),，能夠?qū)崟r(shí)交換數(shù)據(jù)信息，可以增強(qiáng)系統(tǒng)診斷和保護(hù)功能,。此外,，固態(tài)開(kāi)關(guān)可以最大限度減少配電系統(tǒng)的功率損耗，從而提高汽車(chē)的燃油效率,，減少二氧化碳排放量,。最后，電子保險(xiǎn)提高了系統(tǒng)可靠性,，滿(mǎn)足了市場(chǎng)對(duì)汽車(chē)安全的嚴(yán)格要求,。圖1所示為汽車(chē)智能配電系統(tǒng)的框圖。

　　圖1汽車(chē)智能配電系統(tǒng).

　　eFuse智能開(kāi)關(guān)集成了控制電路和功率開(kāi)關(guān),，其中,，控制電路連接微控制器。如果是高限流大功率汽車(chē)配電系統(tǒng),，還需另選用高耐變性,、低導(dǎo)通電阻的功率 MOSFET 作為外部功率開(kāi)關(guān)。

　　功率開(kāi)關(guān)選型標(biāo)準(zhǔn)

　　在導(dǎo)通線(xiàn)性模式下的耐變性和關(guān)斷時(shí)的耐雪崩性是選擇外部功率開(kāi)關(guān)的兩個(gè)重要的參考數(shù)據(jù),，這些參數(shù)特性在優(yōu)化大電流配電系統(tǒng)過(guò)程中起著關(guān)鍵作用,。

　　下文全面分析了電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)中的eFuse 智能開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的總電流最高160A,，持續(xù)時(shí)間約40 秒,，暫停 10 秒，連續(xù)測(cè)量6次,，然后討論四個(gè)并聯(lián)的功率 MOSFET,，為確保電池和負(fù)載之間是雙向保護(hù)，四個(gè)管子采用雙背靠背配置(圖 2)：

　　圖2： eFuse智能開(kāi)關(guān)

　　開(kāi)關(guān)之間插入的分流電阻(R_shunt)是用于實(shí)時(shí)檢測(cè)支路電流,，如果電流意外增加,，則關(guān)斷開(kāi)關(guān),，關(guān)閉系統(tǒng)。該電阻還把反饋信號(hào)送到控制器,，使其對(duì)MOSFET的柵源電壓(VGS)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整,，將電流限制在目標(biāo)值，保持電流恒定,。

　　1.線(xiàn)性模式耐變性

　　該配電系統(tǒng)必須在導(dǎo)通時(shí)提供一個(gè)恒定的電流,，為電控單元的大容量電容器軟充電，從而限制浪涌電流,，并防止任何電壓尖峰出現(xiàn),，這是功率開(kāi)關(guān)在線(xiàn)性模式下的工作條件。

　　我們用一個(gè)專(zhuān)用基準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)STL325N4LF8AG做了測(cè)試,，測(cè)量波形如圖 3 所示：

　　圖 3. 軟充電期間的 MOSFET 基準(zhǔn)測(cè)試

　　在上述條件下,，該MOSFET 能夠耐受充電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)700ms的線(xiàn)性模式工作條件。因此,，必須檢查該器件的安全工作區(qū)(SOA),，驗(yàn)證這個(gè)工況有安全可靠保證。STL325N4LF8AG 的理論 SOA 曲線(xiàn)如圖 4 所示：

　　圖 4. STL325N4LF8AG的理論安全工作區(qū)

　　不過(guò),，熱不穩(wěn)定性會(huì)顯著降低MOSFET 的電流處理能力,，嚴(yán)重影響開(kāi)關(guān)的性能，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為 Spirito 效應(yīng),，是由硅片上的電流分布不均引起的,。在熱系數(shù)零點(diǎn)(ZTC)以下，如果芯片上出現(xiàn)局部溫度高于其余部分,，這個(gè)區(qū)域?qū)⑾母嗟碾娏?，耗散更多的功率，結(jié)果局部高溫變得更高,，這個(gè)過(guò)程最終會(huì)導(dǎo)致熱失控和 MOSFET擊穿，三個(gè)電極短路,。燒痕會(huì)出現(xiàn)在芯片中心附近和芯片鍵合結(jié)構(gòu)附近,。

　　此外，觀察發(fā)現(xiàn),，功率脈沖越寬,，熱點(diǎn)出現(xiàn)得越頻繁。當(dāng)時(shí)間脈沖10ms時(shí),，Spirito 效應(yīng)發(fā)生在V_DS 約2V處,，當(dāng)時(shí)間脈沖1ms時(shí)，Spirito 效應(yīng)發(fā)生在V_DS 約4V處,，而直流操作在任何電壓下都受限于熱不穩(wěn)定性,，如圖 5 所示：

　　圖 5.性能降低的 STL325N4LF8AG安全區(qū)

　　我們仔細(xì)比較了理論SOA曲線(xiàn)在穩(wěn)態(tài)條件下(最壞情況)與有Spirito 效應(yīng)的性能降低的安全區(qū)曲線(xiàn),，如圖 6 所示：

　　圖 6. DC SOA 曲線(xiàn)比較

　　將Spirito 效應(yīng)考慮在內(nèi)，當(dāng)V_DS 是10V時(shí),，STL325N4LF8AG 在直流操作下可以處理的最大電流從理論上的 19A 急劇下降到 1A,。

　　假設(shè) 700ms 相當(dāng)于穩(wěn)態(tài)工作條件，則可以在SOA 的降額直流曲線(xiàn)上體現(xiàn)與 ECU 大容量電容器預(yù)充電階段相關(guān)的線(xiàn)性模式工作條件,。MOSFET可以處理的功率平均值可以用下面的公式 1算出：

　　P_D = I_D x V_{DS_(mean)} = 1.7 x (15 : 2) = 1.7 x 7.5 = 12.75 W(1)

　　其中：P_D 是預(yù)充電階段的耗散功率,；

　　I_D是 MOSFET的恒定漏極電流；

　　V_{DS_(mean)} 是充電期間MOSFET漏極電壓的平均值

　　線(xiàn)性模式點(diǎn)是SOA的安全區(qū)域內(nèi),，因此,，STL325N4LF8AG 具有避免熱失控所需的耐變性。

　　圖 7詳細(xì)比較了STL325N4LF8AG與一個(gè)主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的等效AEC Q101 MOSFET(等效封裝,，相同的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻)的 SOA 曲線(xiàn)：

　　圖 7. STL325N4LF8AG 和競(jìng)品的 SOA 比較

　　從 1ms脈沖時(shí)間開(kāi)始,，STripFET F8 MOSFET表現(xiàn)出更寬的 SOA 區(qū)和更高的裕度，尤其是在 10ms 時(shí),。

　　比較7.5V直流曲線(xiàn),，可以得到以下數(shù)值：

　　STripFET F8 的MOSFET，I_D = 1.9A;

　　競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的MOSFET ,，I_D = 1.8A.

　　因此,，STripFET F8 MOSFET表現(xiàn)出良好的穩(wěn)態(tài)性能和高線(xiàn)性模式操作耐變性，與競(jìng)品旗鼓相當(dāng),。

　　2.耐雪崩性能

　　在關(guān)斷時(shí),，電流會(huì)持續(xù)幾微秒，這會(huì)將大量電能注入eFuse和功率開(kāi)關(guān),。

　　事實(shí)上,，連接主電池和最終應(yīng)用控制板的線(xiàn)束因寄生雜散電感而產(chǎn)生高阻抗，這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的電壓尖峰,，將MOSFET 引向雪崩區(qū)域,。

　　在關(guān)斷時(shí)，eFuse的失效模式與 MOSFET 漏源結(jié)的擊穿有關(guān),。

　　在電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中,，在漏極和源極兩個(gè)連接線(xiàn)路上都有大致7μH 的雜散電感，然后,，考慮用下面的測(cè)試電路(圖 8)測(cè)試關(guān)斷狀態(tài)的MOSFET：

　　圖 8. MOSFET 關(guān)斷測(cè)試電路原理圖

　　測(cè)試條件與單功率開(kāi)關(guān)的電流分布相關(guān),，如圖 9 所示：

　　圖9. 單功率開(kāi)關(guān)的電流分布

　　關(guān)斷時(shí)，MOSFET 進(jìn)入雪崩模式,，漏源電壓最大值達(dá)到47.2V,，高于擊穿電壓。在這種情況下，器件必須耐受16.8mJ的持續(xù)時(shí)間(t_AV) 20μs 的單脈沖雪崩能量(EAS),，如圖 10 所示：

　　圖 10. MOSFET雪崩耐量基準(zhǔn)測(cè)試

　　如果工作溫度保持在絕對(duì)最大額定值175℃以下,，這個(gè)雪崩狀況對(duì)于 MOSFET就是安全可靠的。

　　在這種情況下,，t_AV 為20μs 的 E_AS 能量決定了由公式 2得出的耗散功率(PD)：

　　根據(jù)數(shù)據(jù)表,，用公式 3計(jì)算t_AV為 20μs的熱阻值：

　　Z_th = K (@ 20μs) x R_thJC = 0.023 x 0.8 = 0.018 ℃/W(3)

　　然后，溫度變化 (DT)由 (Eq. 4) 得出：

　　DT = P_D x Z_th = 15 ℃(4)

　　因?yàn)槌跏冀Y(jié)溫 (TJ_in)為 25℃,，所以雪崩工況下的工作溫度(TJ_oper)變?yōu)?(公式5)：

　　T_{J_oper} = T_{J_in} +  DT)= 25 + 15 = 40 ℃(5)

　　因此,，STL325N4LF8AG可以安全地處理eFuse中的放電能量。

　　表1詳細(xì)比較了意法半導(dǎo)體STL325N4LF8AG與主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的等效 AEC Q101 MOSFET的雪崩耐量,。

　　表1. 意法半導(dǎo)體產(chǎn)品與競(jìng)品的雪崩耐量比較

　　意法半導(dǎo)體在STripFET F8 技術(shù)中引入的創(chuàng)新溝槽結(jié)構(gòu),，不僅大大提高了開(kāi)關(guān)性能，而且還提高了耐雪崩能力,，讓MOSFET變得更加安全可靠,。

　　結(jié)論

　　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 STL325N4LF8AG 可以耐受eFuse應(yīng)用的電壓應(yīng)力狀況，同類(lèi)一流的性能使 STripFET F8 MOSFET 成為為苛刻的大電流汽車(chē)應(yīng)用開(kāi)發(fā)安全可靠的汽車(chē)配電系統(tǒng)的理想選擇,。

更多信息可以來(lái)這里獲取==>>電子技術(shù)應(yīng)用-AET<<