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全球汽车市场当今的销售趋势仍是传统燃油车占比约80%,其余的20%都被包括各类混动汽车和电动汽车在内的新能源汽车所占据,轻混动力汽车是其中最重要的细分市场之一。

事实上,轻混动力平台已经是一个具体的传统汽车架构替代解决方案,因为轻混系统满足了对更大动力储备的需求,同时可以降低动力系统总体成本。轻混系统有以下优势:

• 集成了驱动电机,停车后起步加速更快;

• 帮助启停系统提高燃油效率;

• 涡轮增压系统降低尾气排放;

• 在保养维修和发生故障时,比高压总线解决方案更安全

在STPOWER STripFET 80V-100V功率晶体管中,F7系列已经取得AEC-Q101车规产品认证,新的车规产品已进入原型开发阶段。STripFET功率晶体管的开关性能和能效都很出色,鲁棒性足以满足所有车用要求,是解决 48V-12V DC-DC 功率转换器高频辐射抗扰度问题的正确之选。

轻混架构中的 DC-DC转换

在轻混汽车上,DC-DC转换器将48V锂电池储存的部分电能转移到12V铅酸电瓶中,使12V铅酸电池保持充电状态,同时给低功耗负载和信息娱乐系统供电。该转换器还支持电流双向流动,在某些情况下,12V电瓶可以对48V锂电池充电,在汽车抛锚时驱动汽车到达最近的汽修厂。

该转换器的常见技术规格如下:

• 降压模式下输出功率为2kW至3.3kW,升压模式下输出功率最高1.5kW;

• 输出电流约 250A;

• 12V – 14V 输出电压;

• 输入电压 24V 到 56V;

• 能效高于93%。

图1所示是多相 DC-DC 降压转换器的原理图。

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图1:多相 DC-DC 降压转换器的原理图

DC-DC转换器一个电源模块,组件包括:

• MOSFET半桥(HB)和栅极驱动器,栅极驱动器带有一个用于电流检测的内部比较器;

• 48V锂电池高压安全开关,在发生故障时,保护电驱系统,断开系统与锂电池的连接;该开关通常是由几个80V MOSFET并联而成,该开关要选择裸片尺寸大、低静态漏源导通电阻(RDS(on))和高电流处理能力的开关管;

• 低压安全开关,用于断开系统与12V电瓶的连接,是由几个并联支路组成,包括两个背靠背配置的导通电阻(RDS(on))非常低的40V MOSFET开关管;

• 控制器,根据负载水平负责各相之间同步、激活和调节,在相转换发生危险时,关闭系统 ;

• 为单相过流事件和因电池断开而引起的输出过压现象提供更多保护。

在这种拓扑结构中,上桥臂(HS) MOSFET经过了优化设计,可以提高转换器的开关性能,降低噪声辐射,从而改善转换器在轻负载下的能效,而下桥臂(LS) MOSFET也经过了优化设计,可以最大限度地降低导通损耗,从而提高转换器在高负载时的能效。

因此,48V-12V DC-DC转换器中上下桥臂MOSFET的主要特性可以总结如下:

• 漏源击穿电压(BVDSS)在 80V 到 100V之间;

• 栅极阈值电压(VGS(th))是标准电压;

• 上桥臂MOSFET静态漏源导通电阻(RDS(on))低于7.0mΩ,下桥臂低于3.5mΩ;

• 上桥臂MOSFET的总栅极电荷(QG)非常低;

• 下桥臂MOSFET 的反向恢复电荷 (Qrr)较低;

• 意法半导体的 PowerFLAT 5×6 封装用于并联多个MOSFET开关管,而H2PAK 封装(2根引线或6根引线)用于单个开关管。

上桥臂 MOSFET 的开关损耗 (PSW) 用以下公式(公式1)计算:

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其中:

VIN是DC-DC转换器的输入电压;

IOUT 是负载电流 ;

fSW是转换器的开关频率;

QG,SW = Qgd + Qgs是导通MOSFET 所需的电荷量(是栅漏电荷 Qgd 和栅源电荷 Qgs 之和);

IGATE 是MOSFET的栅极电流。

下桥臂MOSFET的导通损耗(PCOND)用以下公式(公式2)计算:

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其中:

RDSon[T] 是 MOSFET 在工作温度 T 时的导通电阻 ;

ID 为MOSFET漏极电流;

D是转换器的占空比。

最小化开关损耗与优化导通损耗之间的最佳折衷方案是下桥臂MOSFET选择低导通电阻(RDS(on))的开关管,上桥臂MOSFET选择低栅漏电荷(Qgd)的开关管,这种权衡考虑对提升系统能效和抑制电磁干扰(EMI)噪声辐射有很大的影响。

实验结果

与上一代产品相比,STPOWER STripFET F7系列车规80V – 100V MOSFET改进了米勒效应敏感度和电容比(Crss / Ciss)软度,如图2所示。

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图 2. F7 系列和上一代产品的电容比波形软度比较

在续流阶段,MOSFET的漏源电压(VDS)被固定在体漏二极管的正向导通电压(VDS)。在瞬态关断时,VDS电压增加,此时电容比起关键作用。由于在几乎VDS = 0V时,电容比下降趋势柔和舒缓,而且初始值低,Crss/Ciss比值可以适度抵抗米勒效应,并且还有助于最小化MOSFET的亚阈值导通,降低对EMI的敏感度。

产生EMI辐射的主要因素与体漏极二极管的反向恢复电荷及其在回弹中的软度有关(图3)。

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图3:F7 MOSFET体二极管的测量波形

实验数据表明,STripFET F7 MOSFET的体漏二极管回零电流波形非常柔和,仅产生几次振荡,从而限制了高频辐射。

此外,采用新技术制造的车规80V – 100V MOSFET原型具有良好的开关性能, VDS电压尖峰波形平滑,振荡时间非常短。图4所示是轻混系统的DC-DC转换器的下桥臂MOSFET和上桥臂MOSFET在fsw = 250kHz时测得的开关波形。

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图4:新的下桥臂MOSFET原型和上桥臂MOSFET原型的开关波形

上图显示,下桥臂MOSFET中  VDS最大尖峰电压仅为52V(深蓝色线),使用新型MOSFET的DC-DC转换器的实测能效达到94%,如下所示(图5)。

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Fig. 5. Measured efficiency of the DC-DC converter with the new MOSFET prototypes.

图 5.使用新的MOSFET原型的DC-DC转换器的测量能效

转换器的能效还受到下桥臂MOSFET体漏极二极管反向恢复电荷的影响。流向体二极管的恢复电流即使高速变化(di/dt),新的演进技术也能明显改进能效,如图6中测量的恢复波形所示。

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图 6.新MOSFET原型的恢复电流测量波形。

实际流经该二极管的电流是图6所示的电流10倍,因为使用电流互感器采集ISD = 60A电流。

这种恢复电流还在很大程度上决定了转换器的噪声辐射速率,因为在电流回零时,恢复电流是振荡引起的高频噪声的主要根源。近场噪声辐射测量试验突出了新MOSFET原型的EMI抗扰度,并将噪声辐射速率与F7系列器件进行了比较。当器件以大约15A的电流开关时,半桥拓扑结构中的下桥臂MOSFET实验噪声辐射频谱如图7所示,上桥臂MOSFET实验噪声辐射频谱如图8所示。

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图 7.下桥臂 F7和新MOSFET原型的测量噪声辐射频谱比较

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图 8. 上桥臂 F7系列和新MOSFET原型的测量噪声辐射频谱比较

两张图显示在与应用开关条件对应的较低频率下,噪声辐射速率值较高,而在1MHz以上的较高频率时,上桥臂的新产品原型在相同的电路板和工作条件(开关频率,电流和偏置电压)下噪声辐射速率略低与于同级F7器件。

结论

对于轻混动力系统,新产品原型改善了开关特性,降低了功率损耗,保证DC-DC转换器的能效更高。此外,它们保留体漏二极管的良好性能不变,具有STripFET F7 MOSFET一样的反向恢复电荷和软度,有助于最大限度地减少高频辐射,这是任何汽车电源转换和电机控制拓扑结构中理想的且广泛认可的特性之一。

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