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

    如今，出行生態(tài)系統(tǒng)不斷地給汽車設(shè)計帶來新的挑戰(zhàn)，特別是在電子解決方案的尺寸、安全性和可靠性方面提出新的要求。此外，隨著汽車電控制單元 (ECU) 增加互聯(lián)和云計算功能，必須開發(fā)新的解決方案來應(yīng)對這些技術(shù)挑戰(zhàn)。
    高端車輛使用多達數(shù)百個ECU，這要求電源管理必須更高效，汽車電池和負載點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(eFuse)代替?zhèn)鹘y(tǒng)保險絲，可以提高電氣安全性。傳統(tǒng)保險絲在導(dǎo)體過載時就會過熱熔化，而電子保險則是控制輸出電壓，限制輸出電流，為負載提供正確的電壓和電流；在失效持續(xù)出現(xiàn)時，終斷開負載連接。大電流用電環(huán)境在處理高能放電方面提出了嚴格的要求，因此，需要魯棒性和可靠性俱佳的功率開關(guān)管。
    大電流功率開關(guān)管

    大電流功率開關(guān)管是一個串聯(lián)到主電源軌并由邏輯電路控制的低電阻MOSFET晶體管，集成了各種保護、診斷和檢測功能。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，可以保證保險盒對電流雙向控制，為電源路徑提供強大的保護（圖 1）。

    圖 1. 雙向大電流功率開關(guān)保護配置。
    電阻器 (RLIM)實時檢測電源軌電流，eFuse電子保險調(diào)整 MOSFET的柵源電壓(VGS)，將電流限制在目標值，保持電流恒定。如果發(fā)生強過流或短路，控制器就會斷開負載，保護電源。
    在負載開通時，eFuse按照預(yù)設(shè)值提高輸出電壓，確保涌流保持在安全范圍內(nèi)，從而保護負載和電源。這種情況對功率 MOSFET提出了嚴格的要求，它們必須經(jīng)受住ECU 輸入端的大容量電容器陣列的軟充電階段線性模式的恒定電流。
    當負載斷開時，與連接主電池和終端應(yīng)用負載的線束相關(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)：
    Power MOSFET功率MOSFET
    Working Condition工作狀態(tài)
    Requirement要求
    On-state通態(tài)
    Low conduction loss低導(dǎo)通損耗
    Start-up開通
    Linear mode ruggedness線性模式魯棒性
    Turn-off關(guān)斷
    Energy handling能量處理能力
    表1.對功率MOSFET的要求。
    意法半導(dǎo)體新推出的STPOWER STripFET F8 MOSFET技術(shù)完全符合 AEC Q101 標準，體現(xiàn)了所有的設(shè)計重大改進之處，確保開關(guān)管具有高能效和高魯棒性，從而實現(xiàn)安全可靠的開關(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?6?8，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)汽車負載，功率開關(guān)必須承受 ECU要求的高達 160 A 至 200 A 的連續(xù)電流，以實現(xiàn) 1kW 范圍內(nèi)的功率輸出。
    1.開通狀態(tài)
    除了大電流之外，功率 MOSFET 還必須耐受 ECU 輸入端的大容量電容器陣列的預(yù)充電階段軟點火所需的恒定電流，使ECU 輸入引腳上的電壓上升平滑，從而避免任何高壓振蕩和電流尖峰。

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

    圖 2. 軟充電魯棒性驗證基準電路。
    該電路可以用恒定電流對負載電容 (CLOAD)充電：通過調(diào)節(jié) V1 和 VDD 電壓值，可以使電流保持恒定，從而為 CLOAD 設(shè)置特定的充電時間。 測試電容是94mF堆棧電容 ，負載和電源電壓為 15V。
    對于 STL325N4LF8AG，考慮了兩種不同的測量設(shè)置情況：
    §1：一個開關(guān)管，電流為1.7A，持續(xù)700ms；

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

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

    圖 3. 軟充電期間的基準測試測量（ 1）

    圖 4. 軟充電期間的基準測試測量（2）
    在 1 中，使用接近直流操作的長脈沖時間測試功率開關(guān)的線性模式魯棒性。
    在2 中，并聯(lián)的兩個功率開關(guān)管的柵極閾壓(Vth)值如下：
    §Vth1 = 1.49V @ 250?A
    §Vth2 = 1.53V @ 250?A.
    Vth的閾值范圍被限定在一定范圍內(nèi)( 3%)，使兩個 MOSFET的電流差很小：
    §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 (2)，用大電流測試功率開關(guān)的線性模式魯棒性，脈沖時間持續(xù)幾毫秒。
    在這兩種情況下，功率 MOSFET 都能夠承受線性模式工作條件，均在理論安全工作區(qū) (SOA) 范圍內(nèi)，防止器件出現(xiàn)任何熱失控。
    1.關(guān)斷狀態(tài)
    在關(guān)斷時，功率 MOSFET必須承受巨大的能量放電應(yīng)力。事實上，在連接主電池和終端應(yīng)用控制板的線束上，寄生雜散電感會產(chǎn)生高阻抗，造成配電系統(tǒng)出現(xiàn)能量巨大的放電事件。
    在ECU電控單元情況中，這種能量釋放可以視為 MOSFET 關(guān)斷時的單次雪崩事件來處理，或用有源鉗位電路強制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)斷時單次雪崩事件的測量波形。

    該器件在關(guān)斷狀態(tài)時具有強大的能量處理性能。
    符合ISO 7637-2標準
    對于 12V/24V 汽車電源系統(tǒng)，eFuse電子保險開關(guān)管必須滿足ISO 7637-2 國際標準的主要規(guī)定，能夠耐受電源軌上產(chǎn)生的劇烈的高低電能瞬變事件，在某些情況下伴隨很高的dv/dt電壓上升速率。
    1.ISO 7637-2 Pulse 1標準
    Pulse 1 標準描述了當電源連接斷開時，在與感性負載并聯(lián)的電子器件上觀察到的負電壓瞬變，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標準要求：

    圖 7. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 1測試的測量波形
    （右圖是放大圖）。
    實驗數(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.ISO 7637-2 Pulse 2°標準

    Pulse 2a標準描述了當與被測電子器件并聯(lián)的電路電流中斷時可能出現(xiàn)的正電壓尖峰，如圖 8 所示：

       圖 8. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a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標準要求：

    圖 9. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 Pulse 2a測試的測量波形
    （右圖是放大圖）。
    實驗數(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.ISO 7637-2 Pulses 3a 和 3b標準

    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)的負電壓尖峰，如圖 11 和圖12 所示：

    圖 10. ISO 7637-2 pulse 3a 測試的電壓瞬變。
    圖 11. ISO 7637-2 pulse 3b測試的電壓瞬變。
    表2列出了各項參數(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)的實驗數(shù)據(jù)：

    圖 12. STL325N4LF8AG的 ISO 7637-2 pulse 3a測試測量波形
    （右圖是放大圖）
    STL325N4LF8AG的pulse 3a和3b測試結(jié)果令人滿意。
    4. ISO 7637-2 脈沖 5a 和 5b（負載突降）
    Pulses 5a 和5b是對負載突降瞬變電壓的模擬測試。負載突降是指在交流發(fā)電機產(chǎn)生充電電流的期間，放電電池斷開連接，同時其他負載仍連接交流發(fā)電機的情況，如圖 14 和15 所示
    表3列出了12V 系統(tǒng)的測試參數(shù)值：
        表 3. ISO 7637-2 pulses 5a 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ISO 7637-2 pulse 5a測試的測量波形。

    圖 17. STL325N4LF8AG的ISO 7637-2 pulse 5 b測試的測量波形
    因此，STL325N4LF8AG 也可以為系統(tǒng)提供負載突降保護。
    結(jié)論
    STL325N4LF8AG采用意法半導(dǎo)體新開發(fā)的STripFET F8制造技術(shù)，為應(yīng)對eFuse電子保險應(yīng)用的所有相關(guān)電壓應(yīng)力狀況而專門設(shè)計，在電源關(guān)閉和開通狀態(tài)，能夠承受相關(guān)的電壓應(yīng)力。此外，該MOSFET還通過了國際標準 ISO 7637-2規(guī)定的12V/24V汽車電池系統(tǒng)導(dǎo)通瞬變測試。同級一流的性能使 STL325N4LF8AG 成為在惡劣的汽車應(yīng)用中設(shè)計更安全的配電系統(tǒng)的理想選擇。