車規(guī)MOSFET技術(shù)確保功率開關(guān)管的可靠性和強(qiáng)電流處理能力

當(dāng)今時(shí)代，出行生態(tài)系統(tǒng)對汽車設(shè)計(jì)提出了持續(xù)的新挑戰(zhàn)，尤其對電子解決方案的規(guī)模，安全性以及可靠性等都提出了全新的需求。另外，由于汽車電控單元（ECU）增加了互聯(lián)和云計(jì)算功能，因此必須開發(fā)新的解決方案來應(yīng)對這些技術(shù)挑戰(zhàn)。

高端車輛使用多達(dá)數(shù)百個(gè)ECU，這要求電源管理必須更高效，汽車電池和負(fù)載點(diǎn)之間的電源路徑更安全，以減少電子器件失效情況發(fā)生。用電子保險(xiǎn)(eFuse)代替?zhèn)鹘y(tǒng)保險(xiǎn)絲，可以提高電氣安全性。傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲因?qū)w過載時(shí)會(huì)過熱熔融，電子保險(xiǎn)通過控制輸出電壓來限制輸出電流并向負(fù)載提供合適的電壓電流；當(dāng)故障繼續(xù)發(fā)生后，負(fù)載連接最后被切斷。應(yīng)對高能放電時(shí)，大電流用電環(huán)境對功率開關(guān)管有嚴(yán)格要求，所以需要具有魯棒性與可靠性的功率開關(guān)管。

大電流功率開關(guān)管

大電流功率開關(guān)管為低電阻MOSFET晶體管串聯(lián)在主電源軌上，通過邏輯電路對其進(jìn)行控制，集多種保護(hù)，診斷，檢測等功能于一體。在大功率汽車電源系統(tǒng)中，通過背靠背連接的 MOSFET開關(guān)管，可以保證保險(xiǎn)盒對電流雙向控制，為電源路徑提供強(qiáng)大的保護(hù)（圖 1）。

圖1.雙向大電流功率開關(guān)保護(hù)配置

電阻器(RLIM)實(shí)時(shí)檢測電源軌電流，eFuse電子保險(xiǎn)調(diào)整 MOSFET的柵源電壓(VGS)，將電流限制在目標(biāo)值，保持電流恒定。如果發(fā)生強(qiáng)過流或短路，控制器就會(huì)斷開負(fù)載，保護(hù)電源。

當(dāng)負(fù)載打開后，eFuse根據(jù)預(yù)設(shè)值增大輸出電壓以保證涌流維持在安全的范圍之內(nèi)，以保護(hù)負(fù)載及電源。這就對功率MOSFET提出了嚴(yán)格的要求，它們必須承受ECU輸入端的大容量電容器陣列在軟充電階段線性模式的恒定電流。

當(dāng)負(fù)載斷開時(shí)，與連接主電池和終端應(yīng)用負(fù)載的線束相關(guān)的寄生雜散電感釋放能量，功率 MOSFET處于電壓應(yīng)力狀態(tài)。

總之，功率 MOSFET 必須滿足以下要求(表 1)：

表1.對功率MOSFET的要求

意法半導(dǎo)體最新發(fā)布的STPOWER STripFET F8 MOSFET技術(shù)充分滿足AEC Q101標(biāo)準(zhǔn)要求，反映出全部設(shè)計(jì)上的顯著改進(jìn)，保證開關(guān)管的高能效、高魯棒性以達(dá)到安全、可靠開關(guān)性能。

STL325N4LF8AG 是一款 40V MOSFET，采用 PowerFLAT 5x6 無引線封裝，靜態(tài)導(dǎo)通電阻(RDS(on))不足一毫歐，小于0.75m?，因此，導(dǎo)通損耗非常低。

MOSFET選型關(guān)鍵參數(shù)

對于12V 鉛酸電池供電的傳統(tǒng)汽車負(fù)載，功率開關(guān)必須承受 ECU要求的高達(dá) 160 A 至 200 A 的連續(xù)電流，以實(shí)現(xiàn) 1kW 范圍內(nèi)的功率輸出。

1.開通狀態(tài)

功率MOSFET在ECU輸入端大容量電容器陣列預(yù)充電階段除大電流外，還要承受軟點(diǎn)火需要恒定電流，本實(shí)用新型使得ECU輸入引腳處電壓升高光滑，避免了任何高壓振蕩以及電流尖峰現(xiàn)象。

可以用圖 2 所示的基準(zhǔn)電路圖測試開關(guān)管在軟充電階段的魯棒性。

圖 2. 軟充電魯棒性驗(yàn)證基準(zhǔn)電路

該電路可利用恒定電流給負(fù)載電容（CLOAD）進(jìn)行充電：可通過調(diào)整V1電壓值和VDD電壓值來維持電流不變，以便給CLOAD設(shè)定具體的充電時(shí)間。測試電容為94mF堆棧電容、15V負(fù)載及電源電壓。

對于 STL325N4LF8AG，考慮了兩種不同的測量設(shè)置情況：

案例1：一個(gè)開關(guān)管，電流為1.7A，持續(xù)700ms；

案例 2：兩個(gè)并聯(lián)的開關(guān)管，每個(gè)開關(guān)的電流為 29A，持續(xù) 6ms。

圖 3 是案例1的線性模式操作的測量波形，圖4是案例2的線性模式操作的測量波形。

圖3.軟充電期間的基準(zhǔn)測試測量（案例1）

圖4.軟充電期間的基準(zhǔn)測試測量（案例2）

在案例 1 中，使用接近直流操作的長脈沖時(shí)間測試功率開關(guān)的線性模式魯棒性。

在案例2 中，并聯(lián)的兩個(gè)功率開關(guān)管的柵極閾壓(Vth)值如下：

Vth1=1.49V@250μA

Vth2=1.53V@250μA.

Vth的閾值范圍被限定在一定范圍內(nèi)( 3%)，使兩個(gè) MOSFET的電流差很?。?/p>

ID1=29A

ID2=28.5A

其中，Vth1的值較低，所以ID1 略高于 ID2。

在這種情況下(案例2)，用大電流測試功率開關(guān)的線性模式魯棒性，脈沖時(shí)間持續(xù)幾毫秒。

在兩種條件下功率MOSFET均能經(jīng)受線性模式的工況，且處于理論安全工作區(qū)域（SOA）以內(nèi)，從而防止了器件的任何熱失控。

2.關(guān)斷狀態(tài)

關(guān)斷過程中功率MOSFET要經(jīng)受很大能量放電應(yīng)力。在實(shí)際應(yīng)用中，將主電池與終端應(yīng)用控制板相連的線束中，由于寄生雜散電感產(chǎn)生高阻抗而導(dǎo)致配電系統(tǒng)中發(fā)生了一個(gè)能量極大的放電事件。

在ECU電控單元情況中，這種能量釋放可以視為 MOSFET 關(guān)斷時(shí)的單次雪崩事件來處理，或用有源鉗位電路強(qiáng)制MOSFET回到線性工作模式。TL325N4LF8AG可以在40A的雪崩擊穿測試中保持正常工作，如圖5所示：

圖 5. STL325N4LF8AG在關(guān)斷時(shí)單次雪崩事件的測量波形

該器件在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)具有強(qiáng)大的能量處理性能。

符合ISO7637-2標(biāo)準(zhǔn)

對12V/24V汽車電源系統(tǒng)而言，eFuse電子保險(xiǎn)開關(guān)管應(yīng)符合ISO 7637-2等國際標(biāo)準(zhǔn)中的主要條款，能承受電源軌發(fā)生的急劇高低電能瞬變事件并在一定條件下伴有較高dv/dt電壓升高率。

1.ISO7637-2Pulse1標(biāo)準(zhǔn)

Pulse 1 標(biāo)準(zhǔn)描述了當(dāng)電源連接斷開時(shí)，在與感性負(fù)載并聯(lián)的電子器件上觀察到的負(fù)電壓瞬變，如圖 6 所示。

圖 6. ISO 7637-2 Pulse 1 測試的電壓瞬變波形和參數(shù)。

圖 7 所示的測試結(jié)果證明，STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 1標(biāo)準(zhǔn)要求：

圖7.STL325N4LF8AG的ISO7637-2Pulse1測試的測量波形（右圖是放大圖）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，STL325N4LF8AG 通過了 ISO 7637-2 脈沖 1 測試，沒有發(fā)生任何失效或主要額定參數(shù)降低現(xiàn)象。

2.ISO7637-2Pulse2°標(biāo)準(zhǔn)

Pulse 2a標(biāo)準(zhǔn)描述了當(dāng)與被測電子器件并聯(lián)的電路電流中斷時(shí)可能出現(xiàn)的正電壓尖峰，如圖 8 所示：

圖8.STL325N4LF8AG的ISO7637-2Pulse2a測試的電壓瞬變波形和參數(shù)

圖 9 所示的測試結(jié)果證明，STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 2a標(biāo)準(zhǔn)要求：

圖9.STL325N4LF8AG的ISO7637-2Pulse2a測試的測量波形（右圖是放大圖）

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，STL325N4LF8AG 通過了 ISO 7637-2 脈沖2a測試，沒有發(fā)生任何失效或主要額定參數(shù)降低現(xiàn)象。

3.ISO7637-2Pulses3a和3b標(biāo)準(zhǔn)

Pulses 3a 和 3b定義了受線束分布電容和電感的影響，在開關(guān)過程可能出現(xiàn)的負(fù)電壓尖峰，如圖 11 和圖12 所示：

圖10.ISO7637-2pulse3a測試的電壓瞬變

圖11.ISO7637-2pulse3b測試的電壓瞬變

表2列出了各項(xiàng)參數(shù)的測量值：

表 2. ISO 7637-2 pulses 3a和 3b測試的電壓瞬態(tài)參數(shù)

圖 12 和 13是STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 3a 和 pulse 3b測試相關(guān)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

圖12.STL325N4LF8AG的ISO7637-2pulse3a測試測量波形（右圖是放大圖）

圖13.STL325N4LF8AG的ISO7637-2pulse3b測試的測量波形（右圖是放大圖）

STL325N4LF8AG的pulse 3a和3b測試結(jié)果令人滿意。

4.ISO7637-2脈沖5a和5b（負(fù)載突降）

Pulses 5a,5b分別為負(fù)載突降瞬變電壓仿真試驗(yàn)。負(fù)載突降是指在交流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生充電電流的過程中，放電電池?cái)嚅_連接，而其他負(fù)載仍與交流發(fā)電機(jī)連接的情況，如圖14和15所示：

圖14.ISO7637-2pulse5a測試的電壓瞬變

圖15.ISO7637-2pulse5b測試的電壓瞬變

表3列出了12V 系統(tǒng)的測試參數(shù)值：

表3.ISO7637-2pulses5a和5b測試的電壓瞬態(tài)參數(shù)

圖 17和圖18所示是STL325N4LF8AG 的 ISO 7637-2 pulse 5a 和pulse 5b 測試的測量波形：

圖16.STL325N4LF8AG的ISO7637-2pulse5a測試的測量波形

圖17.STL325N4LF8AG的ISO7637-2pulse5b測試的測量波形

因此，STL325N4LF8AG 也可以為系統(tǒng)提供負(fù)載突降保護(hù)。

總結(jié)

STL325N4LF8AG采用意法半導(dǎo)體新開發(fā)的STripFET F8制造技術(shù)，為了處理eFuse電子保險(xiǎn)應(yīng)用中一切有關(guān)電壓應(yīng)力情況所特別設(shè)計(jì)。電源關(guān)閉及開啟狀態(tài)下可承受有關(guān)電壓應(yīng)力。另外，這種MOSFET已經(jīng)過國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637-2中對12V/24V車輛電池系統(tǒng)導(dǎo)通瞬變的檢測。同級別頂級性能，使得STL325N4LF8AG非常適合于苛刻的汽車應(yīng)用條件下，設(shè)計(jì)出更加安全可靠的配電系統(tǒng)。