车规MOSFET技术确保功率开关管的可靠性和强电流处理能力 (车规级模组的参数特点)

{本文由家电维修技术小编收集整理资料}如今，出行生态*不断地给汽车设计带来新的挑战，特别是在电子解决方案的尺寸、安全性和可靠性方面提出新的要求。此外，随着汽车电控制单元(ECU)增加互联和云计算功能，必须开发新的解决方案来应对这些技术挑战。高端车辆使用多达数百个ECU，这要求电源管理必须更高效，汽车电池和负载点之间的电源路径更安全，以减少电子器件失效情况发生。用电子保险(eFuse)代替传统保险丝，可以提高电气安全性。传统保险丝在导体过载时就会过热熔化，而电子保险则是控制输出电压，*输出电流，为负载提供正确的电压和电流；在失效持续出现时，最终断开负载连接。大电流用电环境在处理高能放电方面提出了严格的要求，因此，需要鲁棒性和可靠性俱佳的功率开关管。大电流功率开关管大电流功率开关管是一个串联到主电源轨并由逻辑电路控制的低电阻MOSFET晶体管，集成了各种保护、诊断和检测功能。在大功率汽车电源*中，通过背靠背连接的MOSFET开关管，可以保证保险盒对电流双向控制，为电源路径提供强大的保护（图1）。

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▲图1.双向大电流功率开关保护配置电阻器(RLIM)实时检测电源轨电流，eFuse电子保险调整MOSFET的栅源电压(VGS)，将电流*在目标值，保持电流恒定。如果发生强过流或短路，*就会断开负载，保护电源。在负载开通时，eFuse按照预设值提高输出电压，确保涌流保持在安全范围内，从而保护负载和电源。这种情况对功率MOSFET提出了严格的要求，它们必须经受住ECU输入端的大容量电容器阵列的软充电阶段线性模式的恒定电流。当负载断开时，与连接主电池和终端应用负载的线束相关的寄生杂散电感释放能量，功率MOSFET处于电压应力状态。总之，功率MOSFET必须满足以下要求(表1)：

▲表1.对功率MOSFET的要求意法半导体新推出的STPOWERSTripFETF8MOSFET技术完全符合AECQ标准，体现了所有的设计重大改进之处，确保开关管具有高能效和高鲁棒性，从而实现安全可靠的开关性能。STLN4LF8AG是一款VMOSFET，采用PowerFLAT5x6无引线封装，静态导通电阻(RDS(on))不足一毫欧，小于0.mΩ，因此，导通损耗非常低。MOSFET选型关键参数对于V铅酸电池供电的传统汽车负载，功率开关必须承受ECU要求的高达A至A的连续电流，以实现1kW范围内的功率输出。1.开通状态除了大电流之外，功率MOSFET还必须耐受ECU输入端的大容量电容器阵列的预充电阶段软点火所需的恒定电流，使ECU输入引脚上的电压上升平滑，从而避免任何高压振荡和电流尖峰。可以用图2所示的基准电路图测试开关管在软充电阶段的鲁棒性。

▲图2.软充电鲁棒性验证基准电路该电路可以用恒定电流对负载电容(CLOAD)充电：通过调节V1和VDD电压值，可以使电流保持恒定，从而为CLOAD设置特定的充电时间。测试电容是mF堆栈电容，负载和电源电压为V。对于STLN4LF8AG，考虑了两种不同的测量设置情况：✦案例1：一个开关管，电流为1.7A，持续ms；✦案例2：两个并联的开关管，每个开关的电流为A，持续6ms。图3是案例1的线性模式*作的测量波形，图4是案例2的线性模式*作的测量波形。

▲图3.软充电期间的基准测试测量（案例1）

▲图4.软充电期间的基准测试测量（案例2）在案例1中，使用接近直流*作的长脉冲时间测试功率开关的线性模式鲁棒性。在案例2中，并联的两个功率开关管的栅极阈压(Vth)值如下：✦Vth1=1.V@µA✦Vth2=1.V@µA.Vth的阈值范围被限定在一定范围内(3%)，使两个MOSFET的电流差很小：✦ID1=A✦ID2=.5A其中，Vth1的值较低，所以ID1略高于ID2。在这种情况下(案例2)，用大电流测试功率开关的线性模式鲁棒性，脉冲时间持续几毫秒。在这两种情况下，功率MOSFET都能够承受线性模式工作条件，均在理论安全工作区(SOA)范围内，防止器件出现任何热失控。2.关断状态在关断时，功率MOSFET必须承受巨大的能量放电应力。事实上，在连接主电池和终端应用控制板的线束上，寄生杂散电感会产生高阻抗，造成配电*出现一次能量巨大的放电事件。在ECU电控单元情况中，这种能量释放可以视为MOSFET关断时的单次雪崩事件来处理，或用有源钳位电路强制MOSFET回到线性工作模式。TLN4LF8AG可以在A的雪崩击穿测试中保持正常工作，如图5所示：

▲图5.STLN4LF8AG在关断时单次雪崩事件的测量波形该器件在关断状态时具有强大的能量处理性能。符合*O-2标准对于V/V汽车电源*，eFuse电子保险开关管必须满足*O-2国际标准的主要规定，能够耐受电源轨上产生的剧烈的高低电能瞬变事件，在某些情况下伴随很高的dv/dt电压上升速率。1.*O-2Pulse1标准Pulse1标准描述了当电源连接断开时，在与感性负载并联的电子器件上观察到的负电压瞬变，如图6所示。

▲图6.*O-2Pulse1测试的电压瞬变波形和参数图7所示的测试结果证明，STLN4LF8AG符合*O-2Pulse1标准要求：

▲图7.STLN4LF8AG的*O-2Pulse1测试的测量波形（右图是放大图）实验数据证明，STLN4LF8AG通过了*O-2脉冲1测试，没有发生任何失效或主要额定参数降低现象。2.*O-2Pulse2°标准Pulse2a标准描述了当与被测电子器件并联的电路电流中断时可能出现的正电压尖峰，如图8所示：

▲图8.STLN4LF8AG的*O-2Pulse2a测试的电压瞬变波形和参数图9所示的测试结果证明，STLN4LF8AG符合*O-2Pulse2a标准要求：

▲图9.STLN4LF8AG的*O-2Pulse2a测试的测量波形（右图是放大图）实验数据证明，STLN4LF8AG通过了*O-2脉冲2a测试，没有发生任何失效或主要额定参数降低现象。3.*O-2Pulses3a和3b标准Pulses3a和3b定义了受线束分布电容和电感的影响，在开关过程可能出现的负电压尖峰，如图和图所示：

▲图.*O-2pulse3a测试的电压瞬变

▲图.*O-2pulse3b测试的电压瞬变表2列出了各项参数的测量值：

▲表2.*O-2pulses3a和3b测试的电压瞬态参数图和是STLN4LF8AG的*O-2pulse3a和pulse3b测试相关的实验数据：

▲图.STLN4LF8AG的*O-2pulse3a测试测量波形（右图是放大图）

▲图.STLN4LF8AG的*O-2pulse3b测试的测量波形（右图是放大图）STLN4LF8AG的pulse3a和3b测试结果令人满意。4.*O-2脉冲5a和5b(负载突降)Pulses5a和5b是对负载突降瞬变电压的模拟测试。负载突降是指在交流发电机产生充电电流的期间，放电电池断开连接，同时其他负载仍连接交流发电机的情况，如图和所示：

▲图.*O-2pulse5a测试的电压瞬变

▲图.*O-2pulse5b测试的电压瞬变表3列出了V*的测试参数值：

▲表3.*O-2pulses5a和5b测试的电压瞬态参数图和图所示是STLN4LF8AG的*O-2pulse5a和pulse5b测试的测量波形：

▲图.STLN4LF8AG的*O-2pulse5a测试的测量波形

▲图.STLN4LF8AG的*O-2pulse5b测试的测量波形因此，STLN4LF8AG也可以为*提供负载突降保护。结论STLN4LF8AG采用意法半导体新开发的STripFETF8制造技术，为应对eFuse电子保险应用的所有相关电压应力状况而专门设计，在电源关闭和开通状态，能够承受相关的电压应力。此外，该MOSFET还通过了国际标准*O-2规定的V/V汽车电池*导通瞬变测试。同级一流的性能使STLN4LF8AG成为在恶劣的汽车应用中设计更安全的配电*的理想选择。References参考文献✎R.Bojoi,F.Fusillo,A.Raciti,S.Musumeci,F.ScrimizziandS.Rizzo,"Full-bridgeDC-DCpowerconverterfortelecomapplicationswithadvancedtrenchgateMOSFETs",IEEEInternationalTelecommunicationsEnergyConference(INTELEC),Turin.✎S.Musumeci,F.Scrimizzi,G.Longo,C.MistrettaandD.Cavallaro,“Trench-gateMOSFETapplicationasactivefuseinlowvoltagebatterymanagementsystem”,2ndIEEEInternationalConferenceonIndustrialElectronicsforSustainableEnergySystems(IESES),.✎G.Breglio,F.Frisina,A.MagrìandP.Spirito,“Electro-thermalinstabilityinlowvoltagepowerMOS:experimentalcharacterization”,IEEE*PSD,Toronto.来源：意法半导体作者：GiusyGambino