作者: Filippo Scrimizzi and Giusy Gambino,
意法半導體意大利Catan
全球汽車(chē)市場(chǎng)當今的銷(xiāo)售趨勢仍是傳統燃油車(chē)占比約80%，其余的20%都被包括各類(lèi)混動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)在內的新能源汽車(chē)所占據，輕混動(dòng)力汽車(chē)是其中最重要的細分市場(chǎng)之一。
事實(shí)上，輕混動(dòng)力平臺已經(jīng)是一個(gè)具體的傳統汽車(chē)架構替代解決方案，因為輕混系統滿(mǎn)足了對更大動(dòng)力儲備的需求，同時(shí)可以降低動(dòng)力系統總體成本。輕混系統有以下優(yōu)勢：
• 集成了驅動(dòng)電機，停車(chē)后起步加速更快;
• 幫助啟停系統提高燃油效率;
• 渦輪增壓系統降低尾氣排放;
• 在保養維修和發(fā)生故障時(shí)，比高壓總線(xiàn)解決方案更安全
在STPOWER
STripFET
80V-100V功率晶體管中，F7系列已經(jīng)取得AEC-Q101車(chē)規產(chǎn)品認證，新的車(chē)規產(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(mǎn)足所有車(chē)用要求，是解決
48V-12V DC-DC 功率轉換器高頻輻射抗擾度問(wèn)題的正確之選。
輕混架構中的
DC-DC轉換
在輕混汽車(chē)上，DC-DC轉換器將48V鋰電池儲存的部分電能轉移到12V鉛酸電瓶中，使12V鉛酸電池保持充電狀態(tài)，同時(shí)給低功耗負載和信息娛樂(lè )系統供電。該轉換器還支持電流雙向流動(dòng)，在某些情況下，12V電瓶可以對48V鋰電池充電，在汽車(chē)拋錨時(shí)驅動(dòng)汽車(chē)到達最近的汽修廠(chǎng)。
該轉換器的常見(jiàn)技術(shù)規格如下：
• 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 降壓轉換器的原理圖。
圖1：多相 DC-DC 降壓轉換器的原理圖
DC-DC轉換器一個(gè)電源模塊，組件包括：
• MOSFET半橋(HB)和柵極驅動(dòng)器，柵極驅動(dòng)器帶有一個(gè)用于電流檢測的內部比較器;
• 48V鋰電池高壓安全開(kāi)關(guān)，在發(fā)生故障時(shí)，保護電驅系統，斷開(kāi)系統與鋰電池的連接；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)背靠背配置的導通電阻(RDS(on))非常低的40V
MOSFET開(kāi)關(guān)管；
• 控制器，根據負載水平負責各相之間同步、激活和調節，在相轉換發(fā)生危險時(shí)，關(guān)閉系統
;
• 為單相過(guò)流事件和因電池斷開(kāi)而引起的輸出過(guò)壓現象提供更多保護。
在這種拓撲結構中，上橋臂(HS)
MOSFET經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設計，可以提高轉換器的開(kāi)關(guān)性能，降低噪聲輻射，從而改善轉換器在輕負載下的能效，而下橋臂(LS)
MOSFET也經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設計，可以最大限度地降低導通損耗，從而提高轉換器在高負載時(shí)的能效。
因此，48V-12V
DC-DC轉換器中上下橋臂MOSFET的主要特性可以總結如下：
• 漏源擊穿電壓(BVDSS)在 80V 到
100V之間;
• 柵極閾值電壓(VGS(th))是標準電壓;
• 上橋臂MOSFET靜態(tài)漏源導通電阻(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
的反向恢復電荷 (Qrr)較低;
• 意法半導體的 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(xiàn)或6根引線(xiàn))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)計算：
其中：
VIN是DC-DC轉換器的輸入電壓;
IOUT
是負載電流 ;
fSW是轉換器的開(kāi)關(guān)頻率;
QG,SW = Qgd + Qgs是導通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的導通損耗(PCOND)用以下公式(公式2)計算：
其中：
RDSon[T] 是 MOSFET 在工作溫度 T 時(shí)的導通電阻
;
ID 為MOSFET漏極電流;
D是轉換器的占空比。
最小化開(kāi)關(guān)損耗與優(yōu)化導通損耗之間的最佳折衷方案是下橋臂MOSFET選擇低導通電阻(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，這種權衡考慮對提升系統能效和抑制電磁干擾(EMI)噪聲輻射有很大的影響。
實(shí)驗結果
與上一代產(chǎn)品相比，STPOWER
STripFET F7系列車(chē)規80V - 100V MOSFET改進(jìn)了米勒效應敏感度和電容比(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
在續流階段，MOSFET的漏源電壓(VDS)被固定在體漏二極管的正向導通電壓(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)，電容比下降趨勢柔和舒緩，而且初始值低，Crss/Ciss比值可以適度抵抗米勒效應，并且還有助于最小化MOSFET的亞閾值導通，降低對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體二極管的測量波形
實(shí)驗數據表明，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(chē)規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所示是輕混系統的DC-DC轉換器的下橋臂MOSFET和上橋臂MOSFET在fsw =
250kHz時(shí)測得的開(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（深藍色線(xiàn)），使用新型MOSFET的DC-DC轉換器的實(shí)測能效達到94%，如下所示（圖5）。
圖5.使用新的MOSFET原型的DC-DC轉換器的測量能效
轉換器的能效還受到下橋臂MOSFET體漏極二極管反向恢復電荷的影響。流向體二極管的恢復電流即使高速變化(di/dt)，新的演進(jìn)技術(shù)也能明顯改進(jìn)能效，如圖6中測量的恢復波形所示。
圖6.新MOSFET原型的恢復電流測量波形。
實(shí)際流經(jīng)該二極管的電流是圖6所示的電流10倍，因為使用電流互感器采集ISD =
60A電流。
這種恢復電流還在很大程度上決定了轉換器的噪聲輻射速率，因為在電流回零時(shí)，恢復電流是振蕩引起的高頻噪聲的主要根源。近場(chǎng)噪聲輻射測量試驗突出了新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。當器件以大約15A的電流開(kāi)關(guān)時(shí)，半橋拓撲結構中的下橋臂MOSFET實(shí)驗噪聲輻射頻譜如圖7所示，上橋臂MOSFET實(shí)驗噪聲輻射頻譜如圖8所示。
圖7.下橋臂 F7和新MOSFET原型的測量噪聲輻射頻譜比較
圖8.
上橋臂 F7系列和新MOSFET原型的測量噪聲輻射頻譜比較
兩張圖顯示在與應用開(kāi)關(guān)條件對應的較低頻率下，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F7器件。
結論
對于輕混動(dòng)力系統，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(chē)電源轉換和電機控制拓撲結構中理想的且廣泛認可的特性之一。
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