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穩健的汽車40V功率 MOSFET提升汽車安全性
 

【作者: 意法半導體】   2019年04月01日 星期一

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意法半導體最先進的40V功率MOSFET可以完全滿足電動助力轉向系統(Electric Power Steering,EPS)和電子駐車制動系統 (Electric Park Brake,EPB)等汽車安全系?的機械、環境和電器要求。這些機電系統必須符合汽車AEC Q101之規範,具體來說,低壓MOSFET必須耐受高溫和高尖峰電流。


EPS和EPB系統均由兩個主要零組件組成:電動伺服元件和機械齒輪元件。電動伺服元件將電機的旋轉運動傳至機械齒輪元件,進行扭矩放大,執行機械動作。電動伺服元件則是透過功率MOSFET實現的兩相或三相逆變器,如圖1所示。


圖1 : EPS和EPB系?的伺服元件拓樸
圖1 : EPS和EPB系?的伺服元件拓樸

圖中負載是一台電動馬達,通常是永磁無刷直流馬達(BLDC,Brush Less Direct Current),電源採用一個12V電池。


汽車對功率MOSFET的要求

EPS和EPB逆變氣所用的40V功率MOSFET,要想符合AEC Q101汽車認證標準,必須滿足以下所有要求:


1. 非常低的切換損耗和導通損耗


2. 大輸出電流


3. Ciss/Crss Ratio小,EMI抗擾性強


4. 優異的耐雪崩性能


5. 出色的過流和短路保護


6. 熱管理和散熱效率高


7. 採用穩定的SMD封?


8. 抗附載突降和ESD能力優異


AEC Q101功率MOSFET的參數測量值

我們選擇一些符合EPS和EPB統要求的競品,與意法半導體的40V車用功率MOSFET進行對比實驗。以STL285N4F7AG車用40V功率MOSFET和同級競品的主要參數測量值。


由於兩個安全系統的運作電壓均落在 12V-13.5V 區間,功率MOSFET的標稱電壓為40V,因此,只要確保擊穿電壓(BVdss)接近46V,就能正確地抑制在切換操作過程中因寄生電感而產生的過壓。為抑制導通期間的壓差,?態導通電阻(RDSon)最好低於1mΩ。只有本征電容和Rg都很小的情況下,切換損耗才能降至最低,進而達到快速的切換操作。Crss/Ciss比率是一個非常敏感的參數,其有助於防止米勒效應所導致的任何異常導通,並可更好地控制di/dt和dV/dt速率,配合體汲二極體Qrr反向恢復電荷和反向恢復軟度,可顯著降低元件對EMI的敏感度。為滿足低耗散功率和電磁干擾的要求,STL285N4F7AG優化了電容率(Crss/Ciss)。圖2是STL285N4F7AG與競品的電容率比較圖。


圖2 : STL285N4F7AG與競品的Crss/Ciss電容比測量值比較
圖2 : STL285N4F7AG與競品的Crss/Ciss電容比測量值比較

此外,圖3所示是意法半導體STL285N4F7AG的體汲二極體與競品的性能測量值比較圖。



圖3 : STL285N4F7AG與競品的體汲二極體性能測量值比較
圖3 : STL285N4F7AG與競品的體汲二極體性能測量值比較

測量參數顯示,對於一個固定的di/dt值,STL285N4F7AG的反向恢復電荷(Qrr)和恢復時間(Trr)皆小於競品,這個特性的優勢歸納如下:


- 低Qrr降低逆變器在開啟時的動態損耗,並優化功率級的EMI特性;


- 更佳的Trr可改善二極體恢復電壓上升速率(dv/dt)的動態峰值。在續流期間電流流過體汲二極體時,Trr是導致電橋故障的常見主要原因。


因此,dv/dt是確保閂鎖效應耐受能力的重要參數,測量結果顯示,意法半導體產品的dv/dt性能(圖4)優於競品(圖5)。



圖4 : STL285N4F7AG的dv/dt 測量值
圖4 : STL285N4F7AG的dv/dt 測量值

圖5 : 競品的dv/dt測量值
圖5 : 競品的dv/dt測量值

短路實驗性能測試

我們透過一個短路實驗來測量並驗證意法半導體40V車用功率MOSFET在汽車安全應用中的穩定性。電子系統可能因各種原因而發生短路,例如,存在濕氣、缺乏絕緣保護、電氣元件意外接觸和電壓過高。通常是由意外導致短路發生,所以短路很少是永久的,一般持續幾微秒。在短路期間,整個系統,特?是功率級必須承受多個高電流事件。我們採用STL285N4F7AG和測試板進行一個短路實驗,測量結果如圖6所示:



圖6 : 測試板
圖6 : 測試板

按照以下步驟完成實驗:


1.使用曲線測量儀預先測試主要電氣參數;


2.測試板加熱至135°C,並施加兩次10μs的短路脈衝,間隔小於1s。以限流器保護功能啟動做一次實驗,以不啟動狀況下再做一次實驗。


3.針對元件進行去焊處理,並再次測量主要電氣參數,檢查功率MOSFET的完整性或性能衰減。


測量結果如圖7所示。



圖7 : STL285N4F7AG短路測試
圖7 : STL285N4F7AG短路測試

在短路事件過程中測量到的實際電流值是在2000A的範圍?,脈衝持續時間為10μs。我們進行了十次測試,Tperiod = 5s。STL285N4F7AG成功地承受短路衝擊,並未發生任何故障;但當電流值大於2400A時,出現故障(圖8)。



圖8 : STL285N4F7AG失效時的電流測量值 (Id  2400A)
圖8 : STL285N4F7AG失效時的電流測量值 (Id > 2400A)

結論

實驗數據顯示,意法半導體最先進的AEC-Q101 40V功率MOSFET可以輕鬆符合汽車安全系統的嚴格要求。因此,意法半導體的新溝槽N溝道元件是汽車EPS和EPB系統的最佳選擇。


(本文作者Filippo Scrimizzi、Giuseppe Longo、Giusy Gambinoino任職於意法半導體)


參考文獻

[1] F. Frisina " Dispositivi di Potenza a semiconduttore". Edizione DEL FARO Prima Edizione Giugno 2013


[2] B. Jayant Baliga, Fundamentals of Power Semiconductor Devices, Springer Science, 2008


[3] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins: "Power Electronics Converters, Applications and Design" 2nd edition J. Wiley & Sons NY 1995


[4] B. Murari, F. Berrotti, G.A. Vignola " Smart Power ICs: Technologies and Applications" 2nd Edition


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