汽车电动化配电系统的设计

随着国家政策引导及核心零部件软件技术的成熟应用，汽车电动化与智能化渐成主机厂共识，消费者购车时的考量也从传统的性能指标，转向以智能车机、自动驾驶为代表的智能化体验视角。当行业供需两端的关注点逐步由性能转变至智能时，汽车创新的核心亦从“动力引擎”发动机转移到“计算引擎”半导体。

统配电网目前还存在运行环境差，可能导致电机堵转以及传统继电器、接触器控制回路存在速度慢故障率高等问题，以MOS管做为控制开关，可发挥MOS管电压控制、输入阻抗高、驱动功率小、开关速度快的特点，通过控制程序实现对开关电器的智能化控制，解决了传统控制配电网开关回路触点寿命和潮湿环境造成的影响，符合智能配电网的电路需求。

本文推荐无引脚的TOLL封装中低压MOS管PGT06N009，器件具有较小的尺寸和占用空间，使得它们在有限的空间环境中易于集成和布局，相比TO-263-6L，TOLL占板面积缩小30%，高度减小50%，节省了宝贵的PCB应用空间，而且热阻更小从而散热效率更高，封装寄生电感更小，有助于降低生产成本和散热解决方案成本、提高功率密度。

随着人们生活质量的提高，汽车在现代社会中越来越普及，而随着汽车保有量的持续增长，道路交通安全事故也越来越多，为了减少安全隐患，除了不断完善道路安全法规、加大全民驾驶教育力度，对于OEM来说加强汽车安全设计也是必不可少的。近年来智能汽车、互联网等技术的兴起也使得汽车安全技术的发展面临全新的局面。

首先，电网是什么?发电、供(输、配)电、用电组成电力系统，而电力网包括供电和用电。

其中供电系统是汽车正常运行的基础，随着人们对汽车舒适性和娱乐性需求的提高，汽车的电子电器设备迅速增加，导致了电池易过放电、能源消耗增多、供电线束复杂、供电安全性降低、故障诊断困难等问题。

智能配电概念是一项非常成熟的技术，已经被传统燃油车配电解决方案所采用。智能配电子系统开始用于开发高可靠性、高能效的配电解决方案，这极大地影响了 ECU电控单元中的配电概念，意味着传统保险将被固态保险取代。当超高电流尖峰引起额外的电压应力时，固态保险可以保护系统，同时还可预防失效和误操作。风险一旦抗过去，配电系统就会重新启动，而无需更换任何电子单元或保险丝。

意法半导体全新的STPOWER STripFET F8 40V系列完美满足汽车行业对电子保险(eFuse)方案的线性模式工作耐变性和能源管理的严格要求。

汽车配电系统

采用新的智能配电系统取代集中式配电架构是汽车配电系统的主要发展趋势，集中式配电架构是将电能从电池分配到各个负载系统，配电装置包括起到过载保护作用的中央继电器和保险盒。智能配电系统采用分布式架构，包含多个通过本地互连网络(LIN)或控制器局域网(CAN)相互通信的小配电中心。这种模块化方法允许在车辆上实现区域控制架构，大幅减少线束的连接数量，从而优化系统成本和重量，改进电气性能。

智能配电模块又称电子保险(eFuse)，较传统配电方案有很大的优势，能够实时交换数据信息，可以增强系统诊断和保护功能。此外，固态开关可以最大限度减少配电系统的功率损耗，从而提高汽车的燃油效率，减少二氧化碳排放量。最后，电子保险提高了系统可靠性，满足了市场对汽车安全的严格要求。图1所示为汽车智能配电系统的框图。

图1汽车智能配电系统.

eFuse智能开关集成了控制电路和功率开关，其中，控制电路连接微控制器。如果是高限流大功率汽车配电系统，还需另选用高耐变性、低导通电阻的功率 MOSFET 作为外部功率开关。

功率开关选型标准

在导通线性模式下的耐变性和关断时的耐雪崩性是选择外部功率开关的两个重要的参考数据，这些参数特性在优化大电流配电系统过程中起着关键作用。

下文全面分析了电动助力转向(EPS)系统中的eFuse 智能开关，开关的总电流最高160A，持续时间约40 秒，暂停 10 秒，连续测量6次，然后讨论四个并联的功率 MOSFET，为确保电池和负载之间是双向保护，四个管子采用双背靠背配置(图 2)：

图2： eFuse智能开关

开关之间插入的分流电阻(Rshunt)是用于实时检测支路电流，如果电流意外增加，则关断开关，关闭系统。该电阻还把反馈信号送到控制器，使其对MOSFET的栅源电压(VGS)进行相应的调整，将电流限制在目标值，保持电流恒定。

1. 线性模式耐变性

该配电系统必须在导通时提供一个恒定的电流，为电控单元的大容量电容器软充电，从而限制浪涌电流，并防止任何电压尖峰出现，这是功率开关在线性模式下的工作条件。

我们用一个专用基准测试方法对STL325N4LF8AG做了测试，测量波形如图 3 所示：

图 3. 软充电期间的 MOSFET 基准测试

在上述条件下，该MOSFET 能够耐受充电时间长达700ms的线性模式工作条件。因此，必须检查该器件的安全工作区(SOA)，验证这个工况有安全可靠保证。STL325N4LF8AG 的理论 SOA 曲线如图 4 所示：

图 4. STL325N4LF8AG的理论安全工作区

不过，热不稳定性会显著降低MOSFET 的电流处理能力，严重影响开关的性能，这种现象被称为 Spirito 效应，是由硅片上的电流分布不均引起的。在热系数零点(ZTC)以下，如果芯片上出现局部温度高于其余部分，这个区域将消耗更多的电流，耗散更多的功率，结果局部高温变得更高，这个过程最终会导致热失控和 MOSFET击穿，三个电极短路。烧痕会出现在芯片中心附近和芯片键合结构附近。

此外，观察发现，功率脉冲越宽，热点出现得越频繁。当时间脉冲10ms时，Spirito 效应发生在VDS 约2V处，当时间脉冲1ms时，Spirito 效应发生在VDS 约4V处，而直流操作在任何电压下都受限于热不稳定性，如图 5 所示：

图 5.性能降低的 STL325N4LF8AG安全区

我们仔细比较了理论SOA曲线在稳态条件下(最坏情况)与有Spirito 效应的性能降低的安全区曲线，如图 6 所示：

图 6. DC SOA 曲线比较

将Spirito 效应考虑在内，当VDS 是10V时，STL325N4LF8AG 在直流操作下可以处理的最大电流从理论上的 19A 急剧下降到 1A。

假设 700ms 相当于稳态工作条件，则可以在SOA 的降额直流曲线上体现与 ECU 大容量电容器预充电阶段相关的线性模式工作条件。MOSFET可以处理的功率平均值可以用下面的公式 1算出：

其中：PD 是预充电阶段的耗散功率;

ID是 MOSFET的恒定漏极电流;

VDS_(mean) 是充电期间MOSFET漏极电压的平均值

线性模式点是SOA的安全区域内，因此，STL325N4LF8AG 具有避免热失控所需的耐变性。