如何為汽車(chē)智能配電系統選擇功率開(kāi)關(guān)管

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)化和數字化的大趨勢包括區域控制架構、功率芯片驅動(dòng)數字化、電池管理系統、功率電子和電源/能源管理。電控單元 (ECU)對更大功率、更高安全性的需求日益增長(cháng)，推動(dòng)系統設計人員去開(kāi)發(fā)智能配電解決方案。

智能配電概念是一項非常成熟的技術(shù)，已經(jīng)被傳統燃油車(chē)配電解決方案所采用。智能配電子系統開(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(zhù)傳統保險將被固態(tài)保險取代。當超高電流尖峰引起額外的電壓應力時(shí)，固態(tài)保險可以保護系統，同時(shí)還可預防失效和誤操作。風(fēng)險一旦抗過(guò)去，配電系統就會(huì )重新啟動(dòng)，而無(wú)需更換任何電子單元或保險絲。

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

汽車(chē)配電系統

采用新的智能配電系統取代集中式配電架構是汽車(chē)配電系統的主要發(fā)展趨勢，集中式配電架構是將電能從電池分配到各個(gè)負載系統，配電裝置包括起到過(guò)載保護作用的中央繼電器和保險盒。智能配電系統采用分布式架構，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)現區域控制架構，大幅減少線(xiàn)束的連接數量，從而優(yōu)化系統成本和重量，改進(jìn)電氣性能。

智能配電模塊又稱(chēng)電子保險(eFuse)，較傳統配電方案有很大的優(yōu)勢，能夠實(shí)時(shí)交換數據信息，可以增強系統診斷和保護功能。此外，固態(tài)開(kāi)關(guān)可以最大限度減少配電系統的功率損耗，從而提高汽車(chē)的燃油效率，減少二氧化碳排放量。最后，電子保險提高了系統可靠性，滿(mǎn)足了市場(chǎng)對汽車(chē)安全的嚴格要求。圖1所示為汽車(chē)智能配電系統的框圖。

圖1汽車(chē)智能配電系統

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，還需另選用高耐變性、低導通電阻的功率 MOSFET 作為外部功率開(kāi)關(guān)。

功率開(kāi)關(guān)選型標準

在導通線(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)重要的參考數據，這些參數特性在優(yōu)化大電流配電系統過(guò)程中起著(zhù)關(guān)鍵作用。

下文全面分析了電動(dòng)助力轉向(EPS)系統中的eFuse 智能開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)的總電流最高160A，持續時(shí)間約40 秒，暫停 10 秒，連續測量6次，然后討論四個(gè)并聯(lián)的功率 MOSFET，為確保電池和負載之間是雙向保護，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(Rshunt)是用于實(shí)時(shí)檢測支路電流，如果電流意外增加，則關(guān)斷開(kāi)關(guān)，關(guān)閉系統。該電阻還把反饋信號送到控制器，使其對MOSFET的柵源電壓(VGS)進(jìn)行相應的調整，將電流限制在目標值，保持電流恒定。

1.線(xiàn)性模式耐變性

該配電系統必須在導通時(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，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)用基準測試方法對STL325N4LF8AG做了測試，測量波形如圖 3 所示：

圖3 軟充電期間的 MOSFET 基準測試

在上述條件下，該MOSFET 能夠耐受充電時(shí)間長(cháng)達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(SOA)，驗證這個(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

不過(guò)，熱不穩定性會(huì )顯著(zhù)降低MOSFET 的電流處理能力，嚴重影響開(kāi)關(guān)的性能，這種現象被稱(chēng)為 Spirito 效應，是由硅片上的電流分布不均引起的。在熱系數零點(diǎn)(ZTC)以下，如果芯片上出現局部溫度高于其余部分，這個(gè)區域將消耗更多的電流，耗散更多的功率，結果局部高溫變得更高，這個(gè)過(guò)程最終會(huì )導致熱失控和 MOSFET擊穿，三個(gè)電極短路。燒痕會(huì )出現在芯片中心附近和芯片鍵合結構附近。

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

圖5 性能降低的 STL325N4LF8AG安全區

我們仔細比較了理論SOA曲線(xiàn)在穩態(tài)條件下(最壞情況)與有Spirito 效應的性能降低的安全區曲線(xiàn)，如圖 6 所示：

圖6 DC SOA曲線(xiàn)比較

將Spirito效應考慮在內，當VDS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 700ms 相當于穩態(tài)工作條件，則可以在SOA 的降額直流曲線(xiàn)上體現與 ECU 大容量電容器預充電階段相關(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_DxV_{DS_(mean)}=1.7 x (15 : 2) = 1.7 x 7.5 = 12.75 W   (1)

其中：PD 是預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的安全區域內，因此，STL325N4LF8AG 具有避免熱失控所需的耐變性。

圖 7詳細比較了STL325N4LF8AG與一個(gè)主要競爭對手的等效AEC Q101 MOSFET(等效封裝，相同的擊穿電壓和導通電阻)的 SOA 曲線(xiàn)：

圖7 STL325N4LF8AG 和競品的 SOA 比較

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

比較7.5V直流曲線(xiàn)，可以得到以下數值：

■   STripFET F8 的MOSFET，I_D=1.9A;

■   競爭對手的MOSFET ，I_D=1.8A.

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

2.耐雪崩性能

在關(guān)斷時(shí)，電流會(huì )持續幾微秒，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)持續的電壓尖峰，將MOSFET 引向雪崩區域。

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

在電動(dòng)助力轉向系統中，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，考慮用下面的測試電路(圖 8)測試關(guān)斷狀態(tài)的MOSFET：

圖8 MOSFET關(guān)斷測試電路原理圖

測試條件與單功率開(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的持續時(shí)間(tAV) 20μs 的單脈沖雪崩能量(EAS)，如圖 10 所示：

圖10 MOSFET雪崩耐量基準測試

如果工作溫度保持在絕對最大額定值175?C以下，這個(gè)雪崩狀況對于 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)：

PD ==840 W      (2)

根據數據表，用公式 3計算tAV為 20μs的熱阻值：

Z_th=K (@ 20μs) x R_thJC=0.023x0.8=0.018 ?C/W   (3)

然后，溫度變化 (DT)由 (Eq. 4) 得出：

T=P_Dx Z_th=15 ?C      (4)

因為初始結溫 (TJ_in)為 25?C，所以雪崩工況下的工作溫度(TJ_oper)變?yōu)?nbsp;(公式5)：

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

因此，STL325N4LF8AG可以安全地處理eFuse中的放電能量。

表1詳細比較了意法半導體STL325N4LF8AG與主要競爭對手的等效 AEC Q101 MOSFET的雪崩耐量。 

表1 意法半導體產(chǎn)品與競品的雪崩耐量比較

意法半導體在STripFET F8 技術(shù)中引入的創(chuàng )新溝槽結構，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。

結論

實(shí)驗數據表明 STL325N4LF8AG 可以耐受eFuse應用的電壓應力狀況，同類(lèi)一流的性能使 STripFET F8 MOSFET 成為為苛刻的大電流汽車(chē)應用開(kāi)發(fā)安全可靠的汽車(chē)配電系統的理想選擇。

參考文獻

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