意法半導體最先進的40V功率MOSFET可以完全滿足電動助力轉向系統（Electric Power Steering，EPS）和電子駐車制動系統 （Electric Park Brake，EPB）等汽車安全系?的機械、環境和電器要求。這些機電系統必須符合汽車AEC Q101之規範，具體來說，低壓MOSFET必須耐受高溫和高尖峰電流。

EPS和EPB系統均由兩個主要零組件組成：電動伺服元件和機械齒輪元件。電動伺服元件將電機的旋轉運動傳至機械齒輪元件，進行扭矩放大，執行機械動作。電動伺服元件則是透過功率MOSFET實現的兩相或三相逆變器，如圖1所示。

圖1 : EPS和EPB系?的伺服元件拓樸

圖中負載是一台電動馬達，通常是永磁無刷直流馬達（BLDC，Brush Less Direct Current），電源採用一個12V電池。

汽車對功率MOSFET的要求

EPS和EPB逆變氣所用的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. 非常低的切換損耗和導通損耗

2. 大輸出電流

3. Ciss/Crss Ratio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. 採用穩定的SMD封?

8. 抗附載突降和ESD能力優異

AEC Q101功率MOSFET的參數測量值

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

由於兩個安全系統的運作電壓均落在 12V-13.5V 區間，功率MOSFET的標稱電壓為40V，因此，只要確保擊穿電壓(BVdss)接近46V，就能正確地抑制在切換操作過程中因寄生電感而產生的過壓。為抑制導通期間的壓差，?態導通電阻(RDSon)最好低於1mΩ。只有本征電容和Rg都很小的情況下，切換損耗才能降至最低，進而達到快速的切換操作。Crss/Ciss比率是一個非常敏感的參數，其有助於防止米勒效應所導致的任何異常導通，並可更好地控制di/dt和dV/dt速率，配合體汲二極體Qrr反向恢復電荷和反向恢復軟度，可顯著降低元件對EMI的敏感度。為滿足低耗散功率和電磁干擾的要求，STL285N4F7AG優化了電容率(Crss/Ciss)。圖2是STL285N4F7AG與競品的電容率比較圖。

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STL285N4F7AG的體汲二極體與競品的性能測量值比較圖。

圖3 : STL285N4F7AG與競品的體汲二極體性能測量值比較

測量參數顯示，對於一個固定的di/dt值，STL285N4F7AG的反向恢復電荷(Qrr)和恢復時間(Trr)皆小於競品，這個特性的優勢歸納如下：

- 低Qrr降低逆變器在開啟時的動態損耗，並優化功率級的EMI特性；

- 更佳的Trr可改善二極體恢復電壓上升速率(dv/dt)的動態峰值。在續流期間電流流過體汲二極體時，Trr是導致電橋故障的常見主要原因。

因此，dv/dt是確保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 測量值

圖5 : 競品的dv/dt測量值

短路實驗性能測試

我們透過一個短路實驗來測量並驗證意法半導體40V車用功率MOSFET在汽車安全應用中的穩定性。電子系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、電氣元件意外接觸和電壓過高。通常是由意外導致短路發生，所以短路很少是永久的，一般持續幾微秒。在短路期間，整個系統，特?是功率級必須承受多個高電流事件。我們採用STL285N4F7AG和測試板進行一個短路實驗，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.使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。以限流器保護功能啟動做一次實驗，以不啟動狀況下再做一次實驗。

3.針對元件進行去焊處理，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的範圍?，脈衝持續時間為10μs。我們進行了十次測試，Tperiod = 5s。STL285N4F7AG成功地承受短路衝擊，並未發生任何故障；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)

結論

實驗數據顯示，意法半導體最先進的AEC-Q101 40V功率MOSFET可以輕鬆符合汽車安全系統的嚴格要求。因此，意法半導體的新溝槽N溝道元件是汽車EPS和EPB系統的最佳選擇。

(本文作者Filippo Scrimizzi、Giuseppe Longo、Giusy Gambinoino任職於意法半導體)

參考文獻

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