汽車電動化配電系統(tǒng)的設計

隨著國家政策引導及核心零部件軟件技術的成熟應用，汽車電動化與智能化漸成主機廠共識，消費者購車時的考量也從傳統(tǒng)的性能指標，轉向以智能車機、自動駕駛為代表的智能化體驗視角。當行業(yè)供需兩端的關注點逐步由性能轉變至智能時，汽車創(chuàng)新的核心亦從“動力引擎”發(fā)動機轉移到“計算引擎”半導體。

統(tǒng)配電網(wǎng)目前還存在運行環(huán)境差，可能導致電機堵轉以及傳統(tǒng)繼電器、接觸器控制回路存在速度慢故障率高等問題，以MOS管做為控制開關，可發(fā)揮MOS管電壓控制、輸入阻抗高、驅動功率小、開關速度快的特點，通過控制程序實現(xiàn)對開關電器的智能化控制，解決了傳統(tǒng)控制配電網(wǎng)開關回路觸點壽命和潮濕環(huán)境造成的影響，符合智能配電網(wǎng)的電路需求。

本文推薦無引腳的TOLL封裝中低壓MOS管PGT06N009，器件具有較小的尺寸和占用空間，使得它們在有限的空間環(huán)境中易于集成和布局，相比TO-263-6L，TOLL占板面積縮小30%，高度減小50%，節(jié)省了寶貴的PCB應用空間，而且熱阻更小從而散熱效率更高，封裝寄生電感更小，有助于降低生產(chǎn)成本和散熱解決方案成本、提高功率密度。

隨著人們生活質量的提高，汽車在現(xiàn)代社會中越來越普及，而隨著汽車保有量的持續(xù)增長，道路交通安全事故也越來越多，為了減少安全隱患，除了不斷完善道路安全法規(guī)、加大全民駕駛教育力度，對于OEM來說加強汽車安全設計也是必不可少的。近年來智能汽車、互聯(lián)網(wǎng)等技術的興起也使得汽車安全技術的發(fā)展面臨全新的局面。

首先，電網(wǎng)是什么?發(fā)電、供(輸、配)電、用電組成電力系統(tǒng)，而電力網(wǎng)包括供電和用電。

其中供電系統(tǒng)是汽車正常運行的基礎，隨著人們對汽車舒適性和娛樂性需求的提高，汽車的電子電器設備迅速增加，導致了電池易過放電、能源消耗增多、供電線束復雜、供電安全性降低、故障診斷困難等問題。

智能配電概念是一項非常成熟的技術，已經(jīng)被傳統(tǒng)燃油車配電解決方案所采用。智能配電子系統(tǒng)開始用于開發(fā)高可靠性、高能效的配電解決方案，這極大地影響了 ECU電控單元中的配電概念，意味著傳統(tǒng)保險將被固態(tài)保險取代。當超高電流尖峰引起額外的電壓應力時，固態(tài)保險可以保護系統(tǒng)，同時還可預防失效和誤操作。風險一旦抗過去，配電系統(tǒng)就會重新啟動，而無需更換任何電子單元或保險絲。

意法半導體全新的STPOWER STripFET F8 40V系列完美滿足汽車行業(yè)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。

汽車配電系統(tǒng)

采用新的智能配電系統(tǒng)取代集中式配電架構是汽車配電系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢，集中式配電架構是將電能從電池分配到各個負載系統(tǒng)，配電裝置包括起到過載保護作用的中央繼電器和保險盒。智能配電系統(tǒng)采用分布式架構，包含多個通過本地互連網(wǎng)絡(LIN)或控制器局域網(wǎng)(CAN)相互通信的小配電中心。這種模塊化方法允許在車輛上實現(xiàn)區(qū)域控制架構，大幅減少線束的連接數(shù)量，從而優(yōu)化系統(tǒng)成本和重量，改進電氣性能。

智能配電模塊又稱電子保險(eFuse)，較傳統(tǒng)配電方案有很大的優(yōu)勢，能夠實時交換數(shù)據(jù)信息，可以增強系統(tǒng)診斷和保護功能。此外，固態(tài)開關可以最大限度減少配電系統(tǒng)的功率損耗，從而提高汽車的燃油效率，減少二氧化碳排放量。最后，電子保險提高了系統(tǒng)可靠性，滿足了市場對汽車安全的嚴格要求。圖1所示為汽車智能配電系統(tǒng)的框圖。

圖1汽車智能配電系統(tǒng).

eFuse智能開關集成了控制電路和功率開關，其中，控制電路連接微控制器。如果是高限流大功率汽車配電系統(tǒng)，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

在導通線性模式下的耐變性和關斷時的耐雪崩性是選擇外部功率開關的兩個重要的參考數(shù)據(jù)，這些參數(shù)特性在優(yōu)化大電流配電系統(tǒng)過程中起著關鍵作用。

下文全面分析了電動助力轉向(EPS)系統(tǒng)中的eFuse 智能開關，開關的總電流最高160A，持續(xù)時間約40 秒，暫停 10 秒，連續(xù)測量6次，然后討論四個并聯(lián)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)是用于實時檢測支路電流，如果電流意外增加，則關斷開關，關閉系統(tǒng)。該電阻還把反饋信號送到控制器，使其對MOSFET的柵源電壓(VGS)進行相應的調整，將電流限制在目標值，保持電流恒定。

1. 線性模式耐變性

該配電系統(tǒng)必須在導通時提供一個恒定的電流，為電控單元的大容量電容器軟充電，從而限制浪涌電流，并防止任何電壓尖峰出現(xiàn)，這是功率開關在線性模式下的工作條件。

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(qū)(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(qū)

不過，熱不穩(wěn)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(xiàn)象被稱為 Spirito 效應，是由硅片上的電流分布不均引起的。在熱系數(shù)零點(ZTC)以下，如果芯片上出現(xiàn)局部溫度高于其余部分，這個區(qū)域將消耗更多的電流，耗散更多的功率，結果局部高溫變得更高，這個過程最終會導致熱失控和 MOSFET擊穿，三個電極短路。燒痕會出現(xiàn)在芯片中心附近和芯片鍵合結構附近。

此外，觀察發(fā)現(xiàn)，功率脈沖越寬，熱點出現(xiàn)得越頻繁。當時間脈沖10ms時，Spirito 效應發(fā)生在VDS 約2V處，當時間脈沖1ms時，Spirito 效應發(fā)生在VDS 約4V處，而直流操作在任何電壓下都受限于熱不穩(wěn)定性，如圖 5 所示：

圖 5.性能降低的 STL325N4LF8AG安全區(qū)

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

圖 6. DC SOA 曲線比較

將Spirito 效應考慮在內(nèi)，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 相當于穩(wěn)態(tài)工作條件，則可以在SOA 的降額直流曲線上體現(xiàn)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面的公式 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(qū)域內(nèi)，因此，STL325N4LF8AG 具有避免熱失控所需的耐變性。