【導(dǎo)讀】全球汽車市場(chǎng)當(dāng)今的銷售趨勢(shì)仍是傳統(tǒng)燃油車占比約80%，其余的20%都被包括各類混動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車在內(nèi)的新能源汽車所占據(jù)，輕混動(dòng)力汽車是其中最重要的細(xì)分市場(chǎng)之一。
事實(shí)上，輕混動(dòng)力平臺(tái)已經(jīng)是一個(gè)具體的傳統(tǒng)汽車架構(gòu)替代解決方案，因?yàn)檩p混系統(tǒng)滿足了對(duì)更大動(dòng)力儲(chǔ)備的需求，同時(shí)可以降低動(dòng)力系統(tǒng)總體成本。輕混系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì)：
● 集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，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(shí)，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(rèn)證，新的車規(guī)產(chǎn)品已進(jìn)入原型開(kāi)發(fā)階段。STripFET功率晶體管的開(kāi)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(wèn)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(chǔ)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(shí)給低功耗負(fù)載和信息娛樂(lè)系統(tǒng)供電。該轉(zhuǎn)換器還支持電流雙向流動(dòng)，在某些情況下，12V電瓶可以對(duì)48V鋰電池充電，在汽車拋錨時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車到達(dá)最近的汽修廠。
該轉(zhuǎn)換器的常見(jiàn)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(gè)電源模塊，組件包括：
● MOSFET半橋(HB)和柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)器帶有一個(gè)用于電流檢測(cè)的內(nèi)部比較器;
● 48V鋰電池高壓安全開(kāi)關(guān)，在發(fā)生故障時(shí)，保護(hù)電驅(qū)系統(tǒng)，斷開(kāi)系統(tǒng)與鋰電池的連接；該開(kāi)關(guān)通常是由幾個(gè)80V MOSFET并聯(lián)而成，該開(kāi)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(kāi)關(guān)管;
● 低壓安全開(kāi)關(guān)，用于斷開(kāi)系統(tǒng)與12V電瓶的連接，是由幾個(gè)并聯(lián)支路組成，包括兩個(gè)背靠背配置的導(dǎo)通電阻(RDS(on))非常低的40V MOSFET開(kāi)關(guān)管；
● 控制器，根據(jù)負(fù)載水平負(fù)責(zé)各相之間同步、激活和調(diào)節(jié)，在相轉(zhuǎn)換發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng) ;
● 為單相過(guò)流事件和因電池?cái)嚅_(kāi)而引起的輸出過(guò)壓現(xiàn)象提供更多保護(hù)。
在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，上橋臂(HS) MOSFET經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)性能，降低噪聲輻射，從而改善轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下的能效，而下橋臂(LS) MOSFET也經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(fù)載時(shí)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(biāo)準(zhǔn)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(gè)MOSFET開(kāi)關(guān)管，而H2PAK 封裝(2根引線或6根引線)用于單個(gè)開(kāi)關(guān)管。
上橋臂 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗 (PSW) 用以下公式(公式1)計(jì)算：
(1)
其中：
VIN是DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓;
IOUT 是負(fù)載電流 ;
fSW是轉(zhuǎn)換器的開(kāi)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(jì)算：
(2)
其中：
RDSon[T] 是 MOSFET 在工作溫度 T 時(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)管，上橋臂MOSFET選擇低柵漏電荷(Qgd)的開(kāi)關(guān)管，這種權(quán)衡考慮對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)，VDS電壓增加，此時(shí)電容比起關(guān)鍵作用。由于在幾乎VDS = 0V時(shí)，電容比下降趨勢(shì)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(duì)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(cè)量波形
實(shí)驗(yàn)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(kāi)關(guān)性能， VDS電壓尖峰波形平滑，振蕩時(shí)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(shí)測(cè)得的開(kāi)關(guān)波形。
圖4：新的下橋臂MOSFET原型和上橋臂MOSFET原型的開(kāi)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(lán)色線），使用新型MOSFET的DC-DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)測(cè)能效達(dá)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(cè)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(jìn)技術(shù)也能明顯改進(jìn)能效，如圖6中測(cè)量的恢復(fù)波形所示。
圖 6.新MOSFET原型的恢復(fù)電流測(cè)量波形。
實(shí)際流經(jīng)該二極管的電流是圖6所示的電流10倍，因?yàn)槭褂秒娏骰ジ衅鞑杉疘SD = 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?yàn)樵陔娏骰亓銜r(shí)，恢復(fù)電流是振蕩引起的高頻噪聲的主要根源。近場(chǎng)噪聲輻射測(cè)量試驗(yàn)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(jìn)行了比較。當(dāng)器件以大約15A的電流開(kāi)關(guān)時(shí)，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的下橋臂MOSFET實(shí)驗(yàn)噪聲輻射頻譜如圖7所示，上橋臂MOSFET實(shí)驗(yàn)噪聲輻射頻譜如圖8所示。
圖 7.下橋臂 F7和新MOSFET原型的測(cè)量噪聲輻射頻譜比較
圖 8. 上橋臂 F7系列和新MOSFET原型的測(cè)量噪聲輻射頻譜比較
兩張圖顯示在與應(yīng)用開(kāi)關(guān)條件對(duì)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(shí)，上橋臂的新產(chǎn)品原型在相同的電路板和工作條件(開(kāi)關(guān)頻率，電流和偏置電壓)下噪聲輻射速率略低與于同級(jí)F7器件。
結(jié)論
對(duì)于輕混動(dòng)力系統(tǒng)，新產(chǎn)品原型改善了開(kāi)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(jī)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中理想的且廣泛認(rèn)可的特性之一。
參考文獻(xiàn)
[1] Z. Amjadi and S. S. Williamson, Power-Electronics-Based Solutions for Plug-in Hybrid Electric Vehicle Energy Storage and Management Systems, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 57, no. 2, Feb. 2010.
[2] E. A. Jones, M. de Rooij and S. Biswas, GaN Based DC-DC Converter for 48V Automotive Applications, IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications in Asia (WiPDA Asia), Taipei, Taiwan, 23-25 May 2019.
[3] N. Mohan, T. M. Undeland, W. P. Robbins, Power Electronics Converters, Applications and Design, 2nd edition J. Wiley & Sons NY 1995.
[4] S. Musumeci, A. Tenconi, M. Pastorelli, F. Scrimizzi, G. Longo, C. Mistretta, Trench-Gate MOSFETs in 48V Platform for Mild Hybrid Electric Vehicle Applications, AEIT International Conference of Electrical and Electronic Technologies for Automotive, Nov. 2020.
[5] E. Armando, S. Musumeci, F. Fusillo, F. Scrimizzi, Low Voltage Trench-Gate MOSFET Power Losses Optimization in Synchronous Buck Converter Applications, 21st European Conference on Power Electronics and Applications (EPE '19 ECCE Europe), Sept. 2019.
作者：Filippo Scrimizzi and Giusy Gambino, 意法半導(dǎo)體意大利Catania分公司
免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題，請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
改善你的ADC SNR性能指標(biāo)，試試這款濾波器！
為電機(jī)驅(qū)動(dòng)提供動(dòng)力的功率MOSFET
