車規(guī)MOSFET技術確保功率開關管的可靠性和強電流處理能力

當今時代，出行生態(tài)系統(tǒng)對汽車設計提出了持續(xù)的新挑戰(zhàn)，尤其對電子解決方案的規(guī)模，安全性以及可靠性等都提出了全新的需求。另外，由于汽車電控單元（ECU）增加了互聯(lián)和云計算功能，因此必須開發(fā)新的解決方案來應對這些技術挑戰(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)保險絲因導體過載時會過熱熔融，電子保險通過控制輸出電壓來限制輸出電流并向負載提供合適的電壓電流；當故障繼續(xù)發(fā)生后，負載連接最后被切斷。應對高能放電時，大電流用電環(huán)境對功率開關管有嚴格要求，所以需要具有魯棒性與可靠性的功率開關管。

大電流功率開關管

大電流功率開關管為低電阻MOSFET晶體管串聯(lián)在主電源軌上，通過邏輯電路對其進行控制，集多種保護，診斷，檢測等功能于一體。在大功率汽車電源系統(tǒng)中，通過背靠背連接的 MOSFET開關管，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保護配置

電阻器(RLIM)實時檢測電源軌電流，eFuse電子保險調整 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。

當負載打開后，eFuse根據(jù)預設值增大輸出電壓以保證涌流維持在安全的范圍之內(nèi)，以保護負載及電源。這就對功率MOSFET提出了嚴格的要求，它們必須承受ECU輸入端的大容量電容器陣列在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用負載的線束相關的寄生雜散電感釋放能量，功率 MOSFET處于電壓應力狀態(tài)。

總之，功率 MOSFET 必須滿足以下要求(表 1)：

表1.對功率MOSFET的要求

意法半導體最新發(fā)布的STPOWER STripFET F8 MOSFET技術充分滿足AEC Q101標準要求，反映出全部設計上的顯著改進，保證開關管的高能效、高魯棒性以達到安全、可靠開關性能。

STL325N4LF8AG 是一款 40V MOSFET，采用 PowerFLAT 5x6 無引線封裝，靜態(tài)導通電阻(RDS(on))不足一毫歐，小于0.75m?，因此，導通損耗非常低。

MOSFET選型關鍵參數(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)

功率MOSFET在ECU輸入端大容量電容器陣列預充電階段除大電流外，還要承受軟點火需要恒定電流，本實用新型使得ECU輸入引腳處電壓升高光滑，避免了任何高壓振蕩以及電流尖峰現(xiàn)象。

可以用圖 2 所示的基準電路圖測試開關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

該電路可利用恒定電流給負載電容（CLOAD）進行充電：可通過調整V1電壓值和VDD電壓值來維持電流不變，以便給CLOAD設定具體的充電時間。測試電容為94mF堆棧電容、15V負載及電源電壓。

對于 STL325N4LF8AG，考慮了兩種不同的測量設置情況：

案例1：一個開關管，電流為1.7A，持續(xù)700ms；

案例 2：兩個并聯(lián)的開關管，每個開關的電流為 29A，持續(xù) 6ms。

圖 3 是案例1的線性模式操作的測量波形，圖4是案例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（案例1）

圖4.軟充電期間的基準測試測量（案例2）

在案例 1 中，使用接近直流操作的長脈沖時間測試功率開關的線性模式魯棒性。

在案例2 中，并聯(lián)的兩個功率開關管的柵極閾壓(Vth)值如下：

Vth1=1.49V@250μA

Vth2=1.53V@250μA.

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(案例2)，用大電流測試功率開關的線性模式魯棒性，脈沖時間持續(xù)幾毫秒。

在兩種條件下功率MOSFET均能經(jīng)受線性模式的工況，且處于理論安全工作區(qū)域（SOA）以內(nèi)，從而防止了器件的任何熱失控。

2.關斷狀態(tài)

關斷過程中功率MOSFET要經(jīng)受很大能量放電應力。在實際應用中，將主電池與終端應用控制板相連的線束中，由于寄生雜散電感產(chǎn)生高阻抗而導致配電系統(tǒng)中發(fā)生了一個能量極大的放電事件。

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在關斷時單次雪崩事件的測量波形

該器件在關斷狀態(tài)時具有強大的能量處理性能。

符合ISO7637-2標準

對12V/24V汽車電源系統(tǒng)而言，eFuse電子保險開關管應符合ISO 7637-2等國際標準中的主要條款，能承受電源軌發(fā)生的急劇高低電能瞬變事件并在一定條件下伴有較高dv/dt電壓升高率。

1.ISO7637-2Pulse1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 所示的測試結果證明，STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 1標準要求：

圖7.STL325N4LF8AG的ISO7637-2Pulse1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.ISO7637-2Pulse2°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ISO7637-2Pulse2a測試的電壓瞬變波形和參數(shù)

圖 9 所示的測試結果證明，STL325N4LF8AG 符合 ISO 7637-2 Pulse 2a標準要求：

圖9.STL325N4LF8AG的ISO7637-2Pulse2a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.ISO7637-2Pulses3a和3b標準

Pulses 3a 和 3b定義了受線束分布電容和電感的影響，在開關過程可能出現(xiàn)的負電壓尖峰，如圖 11 和圖12 所示：

圖10.ISO7637-2pulse3a測試的電壓瞬變

圖11.ISO7637-2pulse3b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測試相關的實驗數(shù)據(jù)：

圖12.STL325N4LF8AG的ISO7637-2pulse3a測試測量波形（右圖是放大圖）

圖13.STL325N4LF8AG的ISO7637-2pulse3b測試的測量波形（右圖是放大圖）

STL325N4LF8AG的pulse 3a和3b測試結果令人滿意。

4.ISO7637-2脈沖5a和5b（負載突降）

Pulses 5a,5b分別為負載突降瞬變電壓仿真試驗。負載突降是指在交流發(fā)電機產(chǎn)生充電電流的過程中，放電電池斷開連接，而其他負載仍與交流發(fā)電機連接的情況，如圖14和15所示：

圖14.ISO7637-2pulse5a測試的電壓瞬變

圖15.ISO7637-2pulse5b測試的電壓瞬變

表3列出了12V 系統(tǒng)的測試參數(shù)值：

表3.ISO7637-2pulses5a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ISO7637-2pulse5a測試的測量波形

圖17.STL325N4LF8AG的ISO7637-2pulse5b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。

總結

STL325N4LF8AG采用意法半導體新開發(fā)的STripFET F8制造技術，為了處理eFuse電子保險應用中一切有關電壓應力情況所特別設計。電源關閉及開啟狀態(tài)下可承受有關電壓應力。另外，這種MOSFET已經(jīng)過國際標準ISO 7637-2中對12V/24V車輛電池系統(tǒng)導通瞬變的檢測。同級別頂級性能，使得STL325N4LF8AG非常適合于苛刻的汽車應用條件下，設計出更加安全可靠的配電系統(tǒng)。