车规MOSFET技术确保功率开关管的可靠性和强电流处理能力
如今，出行生态系统不断地给汽车设计带来新的挑战，特别是在电子解决方案的尺寸、安全性和可靠性方面提出新的要求。此外，随着汽车电控制单元 (ECU) 增加互联和云计算功能，必须开发新的解决方案来应对这些技术挑战。
本文引用地址：//m.amcfsurvey.com/article/202302/443184.htm高端车辆使用多达数百个ECU，这要求电源管理必须更高效，汽车电池和负载点之间的电源路径更安全，以减少电子器件失效情况发生。用电子保险(eFuse)代替传统保险丝，可以提高电气安全性。传统保险丝在导体过载时就会过热熔化，而电子保险则是控制输出电压，限制输出电流，为负载提供正确的电压和电流；在失效持续出现时，最终断开负载连接。大电流用电环境在处理高能放电方面提出了严格的要求，因此，需要鲁棒性和可靠性俱佳的功率开关管。
大电流功率开关管
大电流功率开关管是一个串联到主电源轨并由逻辑电路控制的低电阻MOSFET晶体管，集成了各种保护、诊断和检测功能。在大功率汽车电源系统中，通过背靠背连接的MOSFET开关管，可以保证保险盒对电流双向控制，为电源路径提供强大的保护（图 1）。
图1 双向大电流功率开关保护配置
电阻器 (RLIM)实时检测电源轨电流，eFuse电子保险调整 MOSFET的栅源电压(VGS)，将电流限制在目标值，保持电流恒定。如果发生强过流或短路，控制器就会断开负载，保护电源。
在负载开通时，eFuse按照预设值提高输出电压，确保涌流保持在安全范围内，从而保护负载和电源。这种情况对功率 MOSFET提出了严格的要求，它们必须经受住ECU 输入端的大容量电容器阵列的软充电阶段线性模式的恒定电流。
当负载断开时，与连接主电池和终端应用负载的线束相关的寄生杂散电感释放能量，功率 MOSFET处于电压应力状态。
总之，功率 MOSFET 必须满足以下要求(表 1)：
表1 对功率MOSFET的要求
功率MOSFET |
|
工作状态 |
要求 |
通态 |
低导通损耗 |
开通 |
线性模式鲁棒性 |
关断 |
能量处理能力 |
意法半导体新推出的STPOWER STripFET F8 MOSFET技术完全符合 AEC Q101 标准，体现了所有的设计重大改进之处，确保开关管具有高能效和高鲁棒性，从而实现安全可靠的开关性能。
STL325N4LF8AG 是一款 40V MOSFET，采用 PowerFLAT 5x6 无引线封装，静态导通电阻(RDS(on))不足一毫欧，小于0.75mΩ，因此，导通损耗非常低。
MOSFET选型关键参数
对于12V 铅酸电池供电的传统汽车负载，功率开关必须承受 ECU要求的高达 160 A 至 200 A 的连续电流，以实现 1kW 范围内的功率输出。
1.开通状态
除了大电流之外，功率 MOSFET 还必须耐受 ECU 输入端的大容量电容器阵列的预充电阶段软点火所需的恒定电流，使ECU 输入引脚上的电压上升平滑，从而避免任何高压振荡和电流尖峰。
可以用图 2 所示的基准电路图测试开关管在软充电阶段的鲁棒性。
图2 软充电鲁棒性验证基准电路
该电路可以用恒定电流对负载电容 (CLOAD)充电：通过调节 V1 和 VDD 电压值，可以使电流保持恒定，从而为 CLOAD 设置特定的充电时间。 测试电容是94mF堆栈电容 ，负载和电源电压为 15V。
对于 STL325N4LF8AG，考虑了两种不同的测量设置情况：
● 案例1：一个开关管，电流为1.7A，持续700ms；
● 案例 2：两个并联的开关管，每个开关的电流为 29A，持续 6ms。
图 3 是案例1的线性模式操作的测量波形，图4是案例2的线性模式操作的测量波形。
图3 软充电期间的基准测试测量（案例 1）
图4 软充电期间的基准测试测量（案例2）
在案例 1 中，使用接近直流操作的长脉冲时间测试功率开关的线性模式鲁棒性。
在案例2 中，并联的两个功率开关管的栅极阈压(Vth)值如下：
● Vth1=1.49V @ 250µA
● Vth2=1.53V @ 250µA.
Vth的阈值范围被限定在一定范围内( 3%)，使两个 MOSFET的电流差很小：
● ID1=29A
● ID2=28.5A
其中，Vth1的值较低，所以ID1略高于ID2。
在这种情况下 (案例2)，用大电流测试功率开关的线性模式鲁棒性，脉冲时间持续几毫秒。
在这两种情况下，功率 MOSFET 都能够承受线性模式工作条件，均在理论安全工作区 (SOA) 范围内，防止器件出现任何热失控。
1.关断状态
在关断时，功率 MOSFET必须承受巨大的能量放电应力。事实上，在连接主电池和终端应用控制板的线束上，寄生杂散电感会产生高阻抗，造成配电系统出现一次能量巨大的放电事件。
在ECU电控单元情况中，这种能量释放可以视为 MOSFET 关断时的单次雪崩事件来处理，或用有源钳位电路强制MOSFET回到线性工作模式。TL325N4LF8AG可以在40A的雪崩击穿测试中保持正常工作，如图5所示：
图5 STL325N4LF8AG在关断时单次雪崩事件的测量波形
该器件在关断状态时具有强大的能量处理性能。
符合ISO 7637-2标准
对于 12V/24V 汽车电源系统，eFuse电子保险开关管必须满足ISO 7637-2 国际标准的主要规定，能够耐受电源轨上产生的剧烈的高低电能瞬变事件，在某些情况下伴随很高的dv/dt电压上升速率。
1.ISO 7637-2 Pulse 1标准
Pulse 1 标准描述了当电源连接断开时，在与感性负载并联的电子器件上观察到的负电压瞬变，如图6所示。
Parameter |
Value |
Unit |
UA |
13.5 |
V |
US |
-100 |
V |
td |
2 |
ms |
tr |
1 (+0/-0.5) |
µs |
t1 |
≥ 0.5 |
s |
t2 |
200 |
ms |
t3 |
< 100 |
µs |
Ri |
10 |
Ω |
Duration |
5000 |
pulses |
图6 ISO 7637-2 Pulse 1测试的电压瞬变波形和参数
图7所示的测试结果证明，STL325N4LF8AG符合ISO 7637-2 Pulse 1标准要求：
图7 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 1测试的测量波形（右图是放大图）
实验数据证明，STL325N4LF8AG 通过了 ISO 7637-2 脉冲 1 测试，没有发生任何失效或主要额定参数降低现象。
2.ISO 7637-2 Pulse 2°标准
Pulse 2a标准描述了当与被测电子器件并联的电路电流中断时可能出现的正电压尖峰，如图8所示：
Parameter |
Value |
Unit |
UP |
13.5 ± 5% |
V |
US |
+100 ± 5% |
V |
td |
50 ± 10% |
µs |
tr |
1 ± 10% |
µs |
t1 |
0.5 ± 10% |
s |
Ri |
10 ± 10% |
Ω |
Duration |
1 ± 10% |
h |
图8 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a测试的电压瞬变波形和参数
图 9 所示的测试结果证明，STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 2a标准要求：
图9 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a测试的测量波形（右图是放大图）
实验数据证明，STL325N4LF8AG 通过了 ISO 7637-2 脉冲2a测试，没有发生任何失效或主要额定参数降低现象。
3.ISO 7637-2 Pulses 3a 和 3b标准
Pulses 3a 和 3b定义了受线束分布电容和电感的影响，在开关过程可能出现的负电压尖峰，如图 11 和图12 所示：
图10 ISO 7637-2 pulse 3a测试的电压瞬变
图11 ISO 7637-2 pulse 3b测试的电压瞬变
表2列出了各项参数的测量值：
表2 ISO 7637-2 pulses 3a和3b测试的电压瞬态参数
参数 |
Pulse 3a Value数值 |
Pulse 3b Value数值 |
单位 |
UP |
13.5 |
3.5 ± 0.5 |
V |
US |
-150 |
+100 ± 5 % |
V |
td |
100 |
50 ± 45 |
ns |
tr |
5 |
5 ± 1.5 |
ns |
t1 |
100 |
100 ± 20 % |
µs |
t4 |
10 |
10 ± 20 % |
ms |
t5 |
90 |
90 ± 20 % |
ms |
Ri |
50 |
50 ± 20 % |
Ω |
Duration时长 |
1 |
h |
图 12 和 13是STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 3a 和 pulse 3b测试相关的实验数据：
图12 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3a测试测量波形（右图是放大图）
图13 STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3b测试的测量波形（右图是放大图）
STL325N4LF8AG的pulse 3a和3b测试结果令人满意。
4.ISO 7637-2 脉冲 5a 和 5b（负载突降）
Pulses 5a 和5b是对负载突降瞬变电压的模拟测试。负载突降是指在交流发电机产生充电电流的期间，放电电池断开连接，同时其他负载仍连接交流发电机的情况，如图 14 和15 所示：
图14 ISO 7637-2 pulse 5a测试的电压瞬变
图15 ISO 7637-2 pulse 5b测试的电压瞬变
表3列出了12V 系统的测试参数值：
表 3 ISO 7637-2 pulses 5a 和 5b 测试的电压瞬态参数
Parameter |
Pulse 5a Value |
Pulse 5b Value |
Unit |
US |
65 to 87 |
65 to 87 |
V |
US* |
35.2 |
V |
|
td |
40 to 400 |
40 to 400 |
ms |
tr |
5 to 10 |
5 to 10 |
ms |
Ri |
0.5 to 4 |
0.5 to 4 |
Ω |
图 17和图18所示是STL325N4LF8AG 的 ISO 7637-2 pulse 5a 和pulse 5b 测试的测量波形：
图16 STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5a测试的测量波形
图17 STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5 b测试的测量波形
因此，STL325N4LF8AG 也可以为系统提供负载突降保护。
结论
STL325N4LF8AG采用意法半导体新开发的STripFET F8制造技术，为应对eFuse电子保险应用的所有相关电压应力状况而专门设计，在电源关闭和开通状态，能够承受相关的电压应力。此外，该MOSFET还通过了国际标准 ISO 7637-2规定的12V/24V汽车电池系统导通瞬变测试。同级一流的性能使 STL325N4LF8AG 成为在恶劣的汽车应用中设计更安全的配电系统的理想选择。
参考文献
[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.
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