如何為汽車智能配電系統(tǒng)選擇功率開關(guān)管

今天，車企正在加快汽車技術(shù)創(chuàng)新步伐，開發(fā)出了電動汽車、網(wǎng)聯(lián)汽車、自動駕駛汽車、共享汽車等全新的汽車概念。汽車電動化和數(shù)字化的大趨勢包括區(qū)域控制架構(gòu)、功率芯片驅(qū)動數(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)對更大功率、更高安全性的需求日益增長，推動系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員去開發(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)燃油車配電解決方案所采用。智能配電子系統(tǒng)開始用于開發(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)一旦抗過去，配電系統(tǒng)就會重新啟動，而無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系列完美滿足汽車行業(yè)對電子保險(xiǎn)(eFuse)方案的線性模式工作耐變性和能源管理的嚴(yán)格要求。

汽車配電系統(tǒng)

采用新的智能配電系統(tǒng)取代集中式配電架構(gòu)是汽車配電系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢，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輛上實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制架構(gòu)，大幅減少線束的連接數(shù)量，從而優(yōu)化系統(tǒng)成本和重量，改進(jìn)電氣性能。

智能配電模塊又稱電子保險(xiǎn)(eFuse)，較傳統(tǒng)配電方案有很大的優(yōu)勢，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，滿足了市場對汽車安全的嚴(yán)格要求。圖1所示為汽車智能配電系統(tǒng)的框圖。

圖1汽車智能配電系統(tǒng)

eFuse智能開關(guān)集成了控制電路和功率開關(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 作為外部功率開關(guān)。

功率開關(guān)選型標(biāo)準(zhǔn)

在導(dǎo)通線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)過程中起著關(guān)鍵作用。

下文全面分析了電動助力轉(zhuǎn)向(EPS)系統(tǒng)中的eFuse 智能開關(guān)，開關(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智能開關(guān)

開關(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)斷開關(guān)，關(guān)閉系統(tǒng)。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(yīng)的調(diào)整，將電流限制在目標(biāo)值，保持電流恒定。

1.線性模式耐變性

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)，這是功率開關(guān)在線性模式下的工作條件。

我們用一個(gè)專用基準(zhǔn)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(zhǔn)測試

在上述條件下，該MOSFET 能夠耐受充電時(shí)間長達(dá)700ms的線性模式工作條件。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 曲線如圖 4 所示：

圖4 STL325N4LF8AG的理論安全工作區(qū)

不過，熱不穩(wěn)定性會顯著降低MOSFET 的電流處理能力，嚴(yán)重影響開關(guān)的性能，這種現(xiàn)象被稱為 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)過程最終會導(dǎo)致熱失控和 MOSFET擊穿，三個(gè)電極短路。燒痕會出現(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VDS 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，如圖 6 所示：

圖6 DC SOA曲線比較

將Spirito效應(yīng)考慮在內(nèi)，當(dāng)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(shè) 700ms 相當(dāng)于穩(wěn)態(tài)工作條件，則可以在SOA 的降額直流曲線上體現(xiàn)與 ECU 大容量電容器預(yù)充電階段相關(guān)的線性模式工作條件。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(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)主要競爭對手的等效AEC Q101 MOSFET(等效封裝，相同的擊穿電壓和導(dǎo)通電阻)的 SOA 曲線：

圖7 STL325N4LF8AG 和競品的 SOA 比較

從 1ms脈沖時(shí)間開始，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，可以得到以下數(shù)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(xiàn)出良好的穩(wěn)態(tài)性能和高線性模式操作耐變性，與競品旗鼓相當(dāng)。

2.耐雪崩性能

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

事實(shí)上，連接主電池和最終應(yīng)用控制板的線束因寄生雜散電感而產(chǎn)生高阻抗，這會產(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)。

在電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，在漏極和源極兩個(gè)連接線路上都有大致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關(guān)的電流分布相關(guān)，如圖9所示：

圖9 單功率開關(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(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(zhǔn)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(jù)數(shù)據(jù)表，用公式 3計(jì)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?yàn)槌跏冀Y(jié)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(xì)比較了意法半導(dǎo)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(dǎo)體產(chǎn)品與競品的雪崩耐量比較

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，同類一流的性能使 STripFET F8 MOSFET 成為為苛刻的大電流汽車應(yīng)用開發(fā)安全可靠的汽車配電系統(tǒng)的理想選擇。

參考文獻(xiàn)

[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”, 2nd IEEE 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.