【導讀】如今，車企正在加快汽車技術創新步伐
，開發出了電動汽車
、網聯汽車、自動駕駛汽車
、共享汽車等全新的汽車概念。汽車電動化和數字化的大趨勢包括區域控製架構、功率芯片驅動數字化、電池管理係統
、功率電子和電源/能源管理。電控單元 (ECU)對更大功率、更高安全性的需求日益增長，推動係統設計人員去開發智能配電解決方案。

如今，車企正在加快汽車技術創新步伐，開發出了電動汽車、網聯汽車
、自動駕駛汽車
、共享汽車等全新的汽車概念。汽車電動化和數字化的大趨勢包括區域控製架構
、功率芯片驅動數字化
、電池管理係統
、功率電子和電源/能源管理。電控單元 (ECU)對更大功率
、更高安全性的需求日益增長，推動係統設計人員去開發智能配電解決方案。

智能配電概念是一項非常成熟的技術，已經被傳統燃油車配電解決方案所采用。智能配電子係統開始用於開發高可靠性

、高能效的配電解決方案，這極大地影響了 ECU電dian控kong單dan元yuan中zhong的de配pei電dian概gai念nian，意yi味wei著zhe傳chuan統tong保bao險xian將jiang被bei固gu態tai保bao險xian取qu代dai。當dang超chao高gao電dian流liu尖jian峰feng引yin起qi額e外wai的de電dian壓ya應ying力li時shi，固gu態tai保bao險xian可ke以yi保bao護hu係xi統tong，同tong時shi還hai可ke預yu防fang失shi效xiao和he誤wu操cao作zuo。風feng險xian一yi旦dan抗kang過guo去qu

，配pei電dian係xi統tong就jiu會hui重zhong新xin啟qi動dong
，而er無wu需xu更geng換huan任ren何he電dian子zi單dan元yuan或huo保bao險xian絲si。

意法半導體全新的STPOWER STripFET F8 40V係列完美滿足汽車行業對電子保險(eFuse)方案的線性模式工作耐變性和能源管理的嚴格要求。

汽車配電係統

采cai用yong新xin的de智zhi能neng配pei電dian係xi統tong取qu代dai集ji中zhong式shi配pei電dian架jia構gou是shi汽qi車che配pei電dian係xi統tong的de主zhu要yao發fa展zhan趨qu勢shi
，集ji中zhong式shi配pei電dian架jia構gou是shi將jiang電dian能neng從cong電dian池chi分fen配pei到dao各ge個ge負fu載zai係xi統tong
，配pei電dian裝zhuang置zhi包bao括kuo起qi到dao過guo載zai保bao護hu作zuo用yong的de中zhong央yang繼ji電dian器qi和he保bao險xian盒he。智zhi能neng配pei電dian係xi統tong采cai用yong分fen布bu式shi架jia構gou，包bao含han多duo個ge通tong過guo本ben地di互hu連lian網wang絡luo(LIN)或控製器局域網(CAN)xianghutongxindexiaopeidianzhongxin。zhezhongmokuaihuafangfayunxuzaicheliangshangshixianquyukongzhijiagou，dafujianshaoxianshudelianjieshuliang

，congeryouhuaxitongchengbenhezhongliang
，gaijindianqixingneng。

智能配電模塊又稱電子保險(eFuse)，jiaochuantongpeidianfanganyouhendadeyoushi，nenggoushishijiaohuanshujuxinxi
，keyizengqiangxitongzhenduanhebaohugongneng。ciwai，gutaikaiguankeyizuidaxiandujianshaopeidianxitongdegonglvsunhao，congertigaoqichederanyouxiaolv，jianshaoeryanghuatanpaifangliang。zuihou，dianzibaoxiantigaolexitongkekaoxing，manzuleshichangduiqicheanquandeyangeyaoqiu。tu1所示為汽車智能配電係統的框圖。

圖1汽車智能配電係統.

eFuse智能開關集成了控製電路和功率開關，其中
，控製電路連接微控製器。如果是高限流大功率汽車配電係統，還需另選用高耐變性

、低導通電阻的功率 MOSFET 作為外部功率開關。

功率開關選型標準

在(zai)導(dao)通(tong)線(xian)性(xing)模(mo)式(shi)下(xia)的(de)耐(nai)變(bian)性(xing)和(he)關(guan)斷(duan)時(shi)的(de)耐(nai)雪(xue)崩(beng)性(xing)是(shi)選(xuan)擇(ze)外(wai)部(bu)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)的(de)兩(liang)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)參(can)考(kao)數(shu)據(ju)，這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)特(te)性(xing)在(zai)優(you)化(hua)大(da)電(dian)流(liu)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)過(guo)程(cheng)中(zhong)起(qi)著(zhe)關(guan)鍵(jian)作(zuo)用(yong)。

下文全麵分析了電動助力轉向(EPS)係統中的eFuse 智能開關，開關的總電流最高160A，持續時間約40 秒，暫停 10 秒，連續測量6次，然後討論四個並聯的功率 MOSFET，為確保電池和負載之間是雙向保護，四個管子采用雙背靠背配置(圖 2)：

圖2： eFuse智能開關

開關之間插入的分流電阻(Rshunt)是用於實時檢測支路電流，如果電流意外增加，則關斷開關，關閉係統。該電阻還把反饋信號送到控製器，使其對MOSFET的柵源電壓(VGS)進行相應的調整，將電流限製在目標值
，保持電流恒定。

1. 線性模式耐變性

該(gai)配(pei)電(dian)係(xi)統(tong)必(bi)須(xu)在(zai)導(dao)通(tong)時(shi)提(ti)供(gong)一(yi)個(ge)恒(heng)定(ding)的(de)電(dian)流(liu)，為(wei)電(dian)控(kong)單(dan)元(yuan)的(de)大(da)容(rong)量(liang)電(dian)容(rong)器(qi)軟(ruan)充(chong)電(dian)
，從(cong)而(er)限(xian)製(zhi)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)

，並(bing)防(fang)止(zhi)任(ren)何(he)電(dian)壓(ya)尖(jian)峰(feng)出(chu)現(xian)
，這(zhe)是(shi)功(gong)率(lv)開(kai)關(guan)在(zai)線(xian)性(xing)模(mo)式(shi)下(xia)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)。

我們用一個專用基準測試方法對STL325N4LF8AG做了測試，測量波形如圖 3 所示：

圖 3. 軟充電期間的 MOSFET 基準測試

在上述條件下，該MOSFET 能夠耐受充電時間長達700ms的線性模式工作條件。因此，必須檢查該器件的安全工作區(SOA)，驗證這個工況有安全可靠保證。STL325N4LF8AG 的理論 SOA 曲線如圖 4 所示：

圖 4. STL325N4LF8AG的理論安全工作區

不過，熱不穩定性會顯著降低MOSFET 的電流處理能力，嚴重影響開關的性能，這種現象被稱為 Spirito 效應，是由矽片上的電流分布不均引起的。在熱係數零點(ZTC)以(yi)下(xia)
，如(ru)果(guo)芯(xin)片(pian)上(shang)出(chu)現(xian)局(ju)部(bu)溫(wen)度(du)高(gao)於(yu)其(qi)餘(yu)部(bu)分(fen)，這(zhe)個(ge)區(qu)域(yu)將(jiang)消(xiao)耗(hao)更(geng)多(duo)的(de)電(dian)流(liu)，耗(hao)散(san)更(geng)多(duo)的(de)功(gong)率(lv)
，結(jie)果(guo)局(ju)部(bu)高(gao)溫(wen)變(bian)得(de)更(geng)高(gao)
，這(zhe)個(ge)過(guo)程(cheng)最(zui)終(zhong)會(hui)導(dao)致(zhi)熱(re)失(shi)控(kong)和(he) MOSFET擊穿
，三個電極短路。燒痕會出現在芯片中心附近和芯片鍵合結構附近。

此外，觀察發現，功率脈衝越寬，熱點出現得越頻繁。當時間脈衝10ms時，Spirito 效應發生在VDS 約2V處

，當時間脈衝1ms時，Spirito 效應發生在VDS 約4V處

，而直流操作在任何電壓下都受限於熱不穩定性，如圖 5 所示：

圖 5.性能降低的 STL325N4LF8AG安全區

我們仔細比較了理論SOA曲線在穩態條件下(最壞情況)與有Spirito 效應的性能降低的安全區曲線，如圖 6 所示：

圖 6. DC SOA 曲線比較

將Spirito 效應考慮在內
，當VDS 是10V時，STL325N4LF8AG 在直流操作下可以處理的最大電流從理論上的 19A 急劇下降到 1A。

假設 700ms 相當於穩態工作條件，則可以在SOA 的降額直流曲線上體現與 ECU 大容量電容器預充電階段相關的線性模式工作條件。MOSFET可以處理的功率平均值可以用下麵的公式 1算出：

其中：PD 是預充電階段的耗散功率

；

           ID是 MOSFET的恒定漏極電流；

           VDS_(mean) 是充電期間MOSFET漏極電壓的平均值

線性模式點是SOA的安全區域內
，因此，STL325N4LF8AG 具有避免熱失控所需的耐變性。

圖 7詳細比較了STL325N4LF8AG與一個主要競爭對手的等效AEC Q101 MOSFET(等效封裝，相同的擊穿電壓和導通電阻)的 SOA 曲線：

圖 7. STL325N4LF8AG 和競品的 SOA 比較

從 1ms脈衝時間開始，STripFET F8 MOSFET表現出更寬的 SOA 區和更高的裕度，尤其是在 10ms 時。

比較7.5V直流曲線，可以得到以下數值：

STripFET F8 的MOSFET，ID = 1.9A;

競爭對手的MOSFET ，ID = 1.8A.

因此，STripFET F8 MOSFET表現出良好的穩態性能和高線性模式操作耐變性，與競品旗鼓相當。

2. 耐雪崩性能

在關斷時，電流會持續幾微秒
，這會將大量電能注入eFuse和功率開關。

事實上，連接主電池和最終應用控製板的線束因寄生雜散電感而產生高阻抗，這會產生一個持續的電壓尖峰，將MOSFET 引向雪崩區域。

在關斷時
，eFuse的失效模式與 MOSFET 漏源結的擊穿有關。

在電動助力轉向係統中，在漏極和源極兩個連接線路上都有大致7µH 的雜散電感
，然後
，考慮用下麵的測試電路(圖 8)測試關斷狀態的MOSFET：

圖 8. MOSFET 關斷測試電路原理圖

測試條件與單功率開關的電流分布相關，如圖 9 所示：

圖9. 單功率開關的電流分布

關斷時，MOSFET 進入雪崩模式，漏源電壓最大值達到47.2V
，高於擊穿電壓。在這種情況下，器件必須耐受16.8mJ的持續時間(tAV) 20µs 的單脈衝雪崩能量(EAS)
，如圖 10 所示：

圖 10. MOSFET雪崩耐量基準測試

如果工作溫度保持在絕對最大額定值175⁰C以下，這個雪崩狀況對於 MOSFET就是安全可靠的。

在這種情況下，tAV 為20µs 的 EAS 能量決定了由公式 2得出的耗散功率(PD)：

根據數據表，用公式 3計算tAV為 20µs的熱阻值：

然後，溫度變化 (T)由 (Eq. 4) 得出：

因為初始結溫 (TJ_in)為 25⁰C，所以雪崩工況下的工作溫度(TJ_oper)變為 (公式5)：

因此，STL325N4LF8AG可以安全地處理eFuse中的放電能量。

表1詳細比較了意法半導體STL325N4LF8AG與主要競爭對手的等效 AEC Q101 MOSFET的雪崩耐量。 

表1. 意法半導體產品與競品的雪崩耐量比較

意法半導體在STripFET F8 技術中引入的創新溝槽結構
，不僅大大提高了開關性能，而且還提高了耐雪崩能力
，讓MOSFET變得更加安全可靠。

結論

實驗數據表明 STL325N4LF8AG 可以耐受eFuse應用的電壓應力狀況
，同類一流的性能使 STripFET F8 MOSFET 成為為苛刻的大電流汽車應用開發安全可靠的汽車配電係統的理想選擇。

參考文獻

[1] R. Bojoi, F. Fusillo, A. Raciti, S. Musumeci, F. Scrimizzi and S. Rizzo, "Full-bridge DC-DC power converter for telecom applications with advanced trench gate MOSFETs", IEEE International Telecommunications Energy Conference (INTELEC), Turin 2018.

[2] S. Musumeci, F. Scrimizzi, G. Longo, C. Mistretta and D. Cavallaro, “Trench-gate MOSFET application as active fuse in low voltage battery management system”, 2nd IEEE International Conference on Industrial Electronics for Sustainable Energy Systems (IESES), 2020.

[3] G. Breglio, F. Frisina, A. Magrì and P. Spirito, “Electro-thermal instability in low voltage power MOS: experimental characterization”, IEEE ISPSD, Toronto 1999.

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