如何降低48V輕混汽車系統(tǒng)中的噪聲輻射

全球汽車市場當今的銷售趨勢仍是傳統(tǒng)燃油車占比約80%，其余的20%都被包括各類混動汽車和電動汽車在內(nèi)的新能源汽車所占據(jù)，輕混動力汽車是其中最重要的細分市場之一。

事實上，輕混動力平臺已經(jīng)是一個具體的傳統(tǒng)汽車架構(gòu)替代解決方案，因為輕混系統(tǒng)滿足了對更大動力儲備的需求，同時可以降低動力系統(tǒng)總體成本。輕混系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：

集成了驅(qū)動電機，停車后起步加速更快;

幫助啟停系統(tǒng)提高燃油效率;

渦輪增壓系統(tǒng)降低尾氣排放;

在保養(yǎng)維修和發(fā)生故障時，比高壓總線解決方案更安全

在STPOWER STripFET 80V-100V功率晶體管中，F(xiàn)7系列已經(jīng)取得AEC-Q101車規(guī)產(chǎn)品認證，新的車規(guī)產(chǎn)品已進入原型開發(fā)階段。STripFET功率晶體管的開關(guān)性能和能效都很出色，魯棒性足以滿足所有車用要求，是解決 48V-12V DC-DC 功率轉(zhuǎn)換器高頻輻射抗擾度問題的正確之選。

輕混架構(gòu)中的 DC-DC轉(zhuǎn)換

在輕混汽車上，DC-DC轉(zhuǎn)換器將48V鋰電池儲存的部分電能轉(zhuǎn)移到12V鉛酸電瓶中，使12V鉛酸電池保持充電狀態(tài)，同時給低功耗負載和信息娛樂系統(tǒng)供電。該轉(zhuǎn)換器還支持電流雙向流動，在某些情況下，12V電瓶可以對48V鋰電池充電，在汽車拋錨時驅(qū)動汽車到達最近的汽修廠。

該轉(zhuǎn)換器的常見技術(shù)規(guī)格如下：

降壓模式下輸出功率為2kW至3.3kW，升壓模式下輸出功率最高1.5kW;

輸出電流約 250A;

12V - 14V 輸出電壓;

輸入電壓 24V 到 56V;

能效高于93%。

圖1所示是多相 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖。

圖1：多相 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖

DC-DC轉(zhuǎn)換器一個電源模塊，組件包括：

MOSFET半橋(HB)和柵極驅(qū)動器，柵極驅(qū)動器帶有一個用于電流檢測的內(nèi)部比較器;

48V鋰電池高壓安全開關(guān)，在發(fā)生故障時，保護電驅(qū)系統(tǒng)，斷開系統(tǒng)與鋰電池的連接；該開關(guān)通常是由幾個80V MOSFET并聯(lián)而成，該開關(guān)要選擇裸片尺寸大、低靜態(tài)漏源導(dǎo)通電阻(RDS(on))和高電流處理能力的開關(guān)管;

低壓安全開關(guān)，用于斷開系統(tǒng)與12V電瓶的連接，是由幾個并聯(lián)支路組成，包括兩個背靠背配置的導(dǎo)通電阻(RDS(on))非常低的40V MOSFET開關(guān)管；

控制器，根據(jù)負載水平負責各相之間同步、激活和調(diào)節(jié)，在相轉(zhuǎn)換發(fā)生危險時，關(guān)閉系統(tǒng) ;

為單相過流事件和因電池斷開而引起的輸出過壓現(xiàn)象提供更多保護。

在這種拓撲結(jié)構(gòu)中，上橋臂(HS)MOSFET經(jīng)過了優(yōu)化設(shè)計，可以提高轉(zhuǎn)換器的開關(guān)性能，降低噪聲輻射，從而改善轉(zhuǎn)換器在輕負載下的能效，而下橋臂(LS)MOSFET也經(jīng)過了優(yōu)化設(shè)計，可以最大限度地降低導(dǎo)通損耗，從而提高轉(zhuǎn)換器在高負載時的能效。

因此，48V-12V DC-DC轉(zhuǎn)換器中上下橋臂MOSFET的主要特性可以總結(jié)如下：

漏源擊穿電壓(BVDSS)在 80V 到 100V之間;

柵極閾值電壓(VGS(th))是標準電壓;

上橋臂MOSFET靜態(tài)漏源導(dǎo)通電阻(RDS(on))低于7.0mΩ，下橋臂低于3.5mΩ;

上橋臂MOSFET的總柵極電荷(QG)非常低;

下橋臂MOSFET 的反向恢復(fù)電荷 (Qrr)較低;

意法半導(dǎo)體的 PowerFLAT 5x6 封裝用于并聯(lián)多個MOSFET開關(guān)管，而H2PAK 封裝(2根引線或6根引線)用于單個開關(guān)管。

上橋臂 MOSFET 的開關(guān)損耗 (PSW) 用以下公式(公式1)計算：

(1)

其中：

VIN是DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓;

IOUT 是負載電流 ;

fSW是轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率;

QG,SW = Qgd + Qgs是導(dǎo)通MOSFET 所需的電荷量(是柵漏電荷 Qgd 和柵源電荷 Qgs 之和）;

IGATE 是MOSFET的柵極電流。

下橋臂MOSFET的導(dǎo)通損耗(PCOND)用以下公式(公式2)計算：

(2)

其中：

RDSon[T] 是 MOSFET 在工作溫度 T 時的導(dǎo)通電阻 ;

ID 為MOSFET漏極電流;

D是轉(zhuǎn)換器的占空比。

最小化開關(guān)損耗與優(yōu)化導(dǎo)通損耗之間的最佳折衷方案是下橋臂MOSFET選擇低導(dǎo)通電阻(RDS(on))的開關(guān)管，上橋臂MOSFET選擇低柵漏電荷(Qgd)的開關(guān)管，這種權(quán)衡考慮對提升系統(tǒng)能效和抑制電磁干擾(EMI)噪聲輻射有很大的影響。

實驗結(jié)果

與上一代產(chǎn)品相比，STPOWER STripFET F7系列車規(guī)80V - 100V MOSFET改進了米勒效應(yīng)敏感度和電容比(Crss / Ciss)軟度，如圖2所示。

圖 2. F7 系列和上一代產(chǎn)品的電容比波形軟度比較

在續(xù)流階段，MOSFET的漏源電壓(VDS)被固定在體漏二極管的正向?qū)妷?VDS)。在瞬態(tài)關(guān)斷時，VDS電壓增加，此時電容比起關(guān)鍵作用。由于在幾乎VDS = 0V時，電容比下降趨勢柔和舒緩，而且初始值低，Crss/Ciss比值可以適度抵抗米勒效應(yīng)，并且還有助于最小化MOSFET的亞閾值導(dǎo)通，降低對EMI的敏感度。

產(chǎn)生EMI輻射的主要因素與體漏極二極管的反向恢復(fù)電荷及其在回彈中的軟度有關(guān)（圖3）。

圖3：F7 MOSFET體二極管的測量波形

實驗數(shù)據(jù)表明，STripFET F7 MOSFET的體漏二極管回零電流波形非常柔和，僅產(chǎn)生幾次振蕩，從而限制了高頻輻射。

此外，采用新技術(shù)制造的車規(guī)80V - 100V MOSFET原型具有良好的開關(guān)性能， VDS電壓尖峰波形平滑，振蕩時間非常短。圖4所示是輕混系統(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的下橋臂MOSFET和上橋臂MOSFET在fsw = 250kHz時測得的開關(guān)波形。

圖4：新的下橋臂MOSFET原型和上橋臂MOSFET原型的開關(guān)波形

上圖顯示，下橋臂MOSFET中 VDS最大尖峰電壓僅為52V（深藍色線），使用新型MOSFET的DC-DC轉(zhuǎn)換器的實測能效達到94%，如下所示（圖5）。

圖 5.使用新的MOSFET原型的DC-DC轉(zhuǎn)換器的測量能效

轉(zhuǎn)換器的能效還受到下橋臂MOSFET體漏極二極管反向恢復(fù)電荷的影響。流向體二極管的恢復(fù)電流即使高速變化(di/dt)，新的演進技術(shù)也能明顯改進能效，如圖6中測量的恢復(fù)波形所示。

圖 6.新MOSFET原型的恢復(fù)電流測量波形。

實際流經(jīng)該二極管的電流是圖6所示的電流10倍，因為使用電流互感器采集ISD = 60A電流。

這種恢復(fù)電流還在很大程度上決定了轉(zhuǎn)換器的噪聲輻射速率，因為在電流回零時，恢復(fù)電流是振蕩引起的高頻噪聲的主要根源。近場噪聲輻射測量試驗突出了新MOSFET原型的EMI抗擾度，并將噪聲輻射速率與F7系列器件進行了比較。當器件以大約15A的電流開關(guān)時，半橋拓撲結(jié)構(gòu)中的下橋臂MOSFET實驗噪聲輻射頻譜如圖7所示，上橋臂MOSFET實驗噪聲輻射頻譜如圖8所示。

圖 7.下橋臂 F7和新MOSFET原型的測量噪聲輻射頻譜比較

圖 8. 上橋臂 F7系列和新MOSFET原型的測量噪聲輻射頻譜比較

兩張圖顯示在與應(yīng)用開關(guān)條件對應(yīng)的較低頻率下，噪聲輻射速率值較高，而在1MHz以上的較高頻率時，上橋臂的新產(chǎn)品原型在相同的電路板和工作條件(開關(guān)頻率，電流和偏置電壓)下噪聲輻射速率略低與于同級F7器件。

結(jié)論

對于輕混動力系統(tǒng)，新產(chǎn)品原型改善了開關(guān)特性，降低了功率損耗，保證DC-DC轉(zhuǎn)換器的能效更高。此外，它們保留體漏二極管的良好性能不變，具有STripFET F7 MOSFET一樣的反向恢復(fù)電荷和軟度，有助于最大限度地減少高頻輻射，這是任何汽車電源轉(zhuǎn)換和電機控制拓撲結(jié)構(gòu)中理想的且廣泛認可的特性之一。

責任編輯：彭菁