1. 前言

 

EPS和EPB係統均由兩個主要部件組成：電dian動dong伺si服fu單dan元yuan和he機ji械xie齒chi輪lun單dan元yuan。電dian動dong伺si服fu單dan元yuan將jiang電dian機ji的de旋xuan轉zhuan運yun動dong傳chuan給gei機ji械xie齒chi輪lun單dan元yuan，進jin行xing扭niu矩ju放fang大da，執zhi行xing機ji械xie動dong作zuo。電dian動dong伺si服fu單dan元yuan是shi用yong功gong率lvMOSFET實現的兩相或三相逆變器，如圖1所示。

 

圖1. EPS和EPB係統的伺服單元拓撲

 

圖中負載是一台電機，通常是永磁無刷直流電機(BLDC)，由一個12V電池進行供電。

 

2. 汽車對功率MOSFET的要求

 

EPS和EPB逆變器所用的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.開關損耗和導通損耗非常低

2.輸出電流大

3. Ciss/Crss比值小
，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.采用穩定的SMD封裝

8.抗負載突降和ESD能力優異

 

2.1. AEC Q101功率MOSFET的參數測量值

 

我們選擇一些符合EPS和EPB係統要求的競品
，與意法半導體的40V汽車功率MOSFET進行對比實驗。表1列出了意法半導體的STL285N4F7AG汽車40V功率MOSFET和同級競品的主要參數測量值。

 

表1. STL285N4F7AG與競品參數測量值比較表

 

由於兩個安全係統的工作電壓都是在12V-13.5V區間，功率MOSFET的標稱電壓是40V，因此
，隻要確保擊穿電壓(BVdss)接近46V，就能正確地抑製在開關操作過程中因寄生電感而產生的過壓。為抑製導通期間的壓差
，靜態導通電阻(RDSon)最好低於1mΩ。隻有本征電容和Rg都很小
，開關損耗才能降至最低，從而實現快速的開關操作。Crss/Ciss比率是一個非常敏感的參數，有助於防止米勒效應導致的任何異常導通，並可以更好地控製di/dt和dV/dt速率，配合體-漏二極管Qrr反向恢複電荷和反向恢複軟度，可顯著降低器件對EMI的敏感度。

 

為滿足低耗散功率和電磁幹擾的要求
，STL285N4F7AG優化了電容比值(Crss/Ciss)。圖2是STL285N4F7AG與競品的電容比值比較圖。

 

圖2. STL285N4F7AG與競品的Crss/Ciss電容比測量值比較

 

此外，圖3所示是意法半導體的STL285N4F7AG的體-漏二極管與競品的性能測量值比較圖。

 

圖3：STL285N4F7AG與競品的體-漏二極管性能測量值比較

 

測量參數表明，對於一個固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢複電荷(Qrr)和恢複時間(Trr)都小於競品
，這個特性的好處歸納如下：

 

-低Qrr可降低逆變器在開啟時的動態損耗
，並優化功率級的EMI特性;

-更好的Trr可改善二極管恢複電壓上升速率(dv/dt)的動態峰值。在續流期間電流流過體 漏二極管時，Trr是導致電橋故障的常見主要原因。

 

因此，dv/dt是保證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 t測量值

 

圖5. 競品的dv/dt測量值

 

2.2. 短路實驗性能測試

 

我們通過一個短路實驗來測量、驗證意法半導體40V汽車功率MOSFET在汽車安全應用中的穩定性。電子係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(dian)氣(qi)部(bu)件(jian)意(yi)外(wai)接(jie)觸(chu)和(he)電(dian)壓(ya)過(guo)高(gao)。因(yin)為(wei)短(duan)路(lu)通(tong)常(chang)是(shi)意(yi)外(wai)造(zao)成(cheng)的(de)，所(suo)以(yi)短(duan)路(lu)很(hen)少(shao)是(shi)永(yong)久(jiu)的(de)，一(yi)般(ban)持(chi)續(xu)幾(ji)微(wei)秒(miao)。在(zai)短(duan)路(lu)期(qi)間(jian)，整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)，特(te)別(bie)是(shi)功(gong)率(lv)級(ji)必(bi)須(xu)承(cheng)受(shou)多(duo)個(ge)高(gao)電(dian)流(liu)事(shi)件(jian)。我(wo)們(men)用(yong)STL285N4F7AG和測試板做了一個短路實驗
，測量結果如圖6所示：

 

圖6：測試板

 

按照以下步驟完成實驗：

 

1）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。限流器保護功能激活做一次實驗，不激活做一次實驗。

3）對器件進行去焊處理，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

 

在短路事件過程中測量到的實際電流值是在2000A範圍內
，脈衝持續時間為10μs。我們進行了十次測試，Tperiod = 5s。STL285N4F7AG成功地承受住短路衝擊
，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)

 

3. 結論

 

實驗數據表明，意法半導體最先進的AEC-Q101 40V功率MOSFET可輕鬆符合汽車安全係統的嚴格要求。因此，意法半導體的新溝槽N溝道器件是汽車EPS和EPB係統的最佳選擇。

 

4. 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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