车规MOSFET技术确保功率开关管的可靠性和强电流处理能力

当今时代，出行生态系统对汽车设计提出了持续的新挑战，尤其对电子解决方案的规模，安全性以及可靠性等都提出了全新的需求。另外，由于汽车电控单元（ECU）增加了互联和云计算功能，因此必须开发新的解决方案来应对这些技术挑战。

 

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。传统保险丝因导体过载时会过热熔融，电子保险通过控制输出电压来限制输出电流并向负载提供合适的电压电流；当故障继续发生后，负载连接最后被切断。应对高能放电时，大电流用电环境对功率开关管有严格要求，所以需要具有鲁棒性与可靠性的功率开关管。

 

大电流功率开关管

 

大电流功率开关管为低电阻MOSFET晶体管串联在主电源轨上，通过逻辑电路对其进行控制，集多种保护，诊断，检测等功能于一体。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。

 

当负载打开后，eFuse根据预设值增大输出电压以保证涌流维持在安全的范围之内，以保护负载及电源。这就对功率MOSFET提出了严格的要求，它们必须承受ECU输入端的大容量电容器阵列在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

 

意法半导体最新发布的STPOWER STripFET F8 MOSFET技术充分满足AEC Q101标准要求，反映出全部设计上的显着改进，保证开关管的高能效、高鲁棒性以达到安全、可靠开关性能。

 

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

 

功率MOSFET在ECU输入端大容量电容器阵列预充电阶段除大电流外，还要承受软点火需要恒定电流，本实用新型使得ECU输入引脚处电压升高光滑，避免了任何高压振荡以及电流尖峰现象。

 

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

 

该电路可利用恒定电流给负载电容（CLOAD）进行充电：可通过调整V1电压值和VDD电压值来维持电流不变，以便给CLOAD设定具体的充电时间。测试电容为94mF堆栈电容、15V负载及电源电压。

 

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。

 

在两种条件下功率MOSFET均能经受线性模式的工况，且处于理论安全工作区域（SOA）以内，从而防止了器件的任何热失控。

 

2.关断状态

 

关断过程中功率MOSFET要经受很大能量放电应力。在实际应用中，将主电池与终端应用控制板相连的线束中，由于寄生杂散电感产生高阻抗而导致配电系统中发生了一个能量极大的放电事件。

 

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12V/24V汽车电源系统而言，eFuse电子保险开关管应符合ISO 7637-2等国际标准中的主要条款，能承受电源轨发生的急剧高低电能瞬变事件并在一定条件下伴有较高dv/dt电压升高率。

 

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。

 

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：

 

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

 

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,5b分别为负载突降瞬变电压仿真试验。负载突降是指在交流发电机产生充电电流的过程中，放电电池断开连接，而其他负载仍与交流发电机连接的情况，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

 

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。

 

总结

 

STL325N4LF8AG采用意法半导体新开发的STripFET F8制造技术，为了处理eFuse电子保险应用中一切有关电压应力情况所特别设计。电源关闭及开启状态下可承受有关电压应力。另外，这种MOSFET已经过国际标准ISO 7637-2中对12V/24V车辆电池系统导通瞬变的检测。同级别顶级性能，使得STL325N4LF8AG非常适合于苛刻的汽车应用条件下，设计出更加安全可靠的配电系统。