焦點速訊：論如何降低48V輕混汽車系統(tǒng)中的噪聲輻射

作者：Filippo Scrimizzi and Giusy Gambino, 意法半導體意大利Catania分公司

全球汽車市場當今的銷售趨勢仍是傳統(tǒng)燃油車占比約80%，其余的20%都被包括各類混動汽車和電動汽車在內的新能源汽車所占據(jù)，輕混動力汽車是其中最重要的細分市場之一。

事實上，輕混動力平臺已經是一個具體的傳統(tǒng)汽車架構替代解決方案，因為輕混系統(tǒng)滿足了對更大動力儲備的需求，同時可以降低動力系統(tǒng)總體成本。輕混系統(tǒng)有以下優(yōu)勢：

(相關資料圖)

集成了驅動電機，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，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系列已經取得AEC-Q101車規(guī)產品認證，新的車規(guī)產品已進入原型開發(fā)階段。STripFET功率晶體管的開關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 功率轉換器高頻輻射抗擾度問題的正確之選。

輕混架構中的 DC-DC轉換

在輕混汽車上，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)，同時給低功耗負載和信息娛樂系統(tǒng)供電。該轉換器還支持電流雙向流動，在某些情況下，12V電瓶可以對48V鋰電池充電，在汽車拋錨時驅動汽車到達最近的汽修廠。

該轉換器的常見技術規(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轉換器一個電源模塊，組件包括：

MOSFET半橋(HB)和柵極驅動器，柵極驅動器帶有一個用于電流檢測的內部比較器;

48V鋰電池高壓安全開關，在發(fā)生故障時，保護電驅系統(tǒng)，斷開系統(tǒng)與鋰電池的連接；該開關通常是由幾個80V MOSFET并聯(lián)而成，該開關要選擇裸片尺寸大、低靜態(tài)漏源導通電阻(R_DS(on))和高電流處理能力的開關管;

低壓安全開關，用于斷開系統(tǒng)與12V電瓶的連接，是由幾個并聯(lián)支路組成，包括兩個背靠背配置的導通電阻(R_DS(on))非常低的40V MOSFET開關管；

控制器，根據(jù)負載水平負責各相之間同步、激活和調節(jié)，在相轉換發(fā)生危險時，關閉系統(tǒng) ;

為單相過流事件和因電池斷開而引起的輸出過壓現(xiàn)象提供更多保護。

在這種拓撲結構中，上橋臂(HS) MOSFET經過了優(yōu)化設計，可以提高轉換器的開關性能，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也經過了優(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(BV_DSS)在 80V 到 100V之間;

柵極閾值電壓(V_GS(th))是標準電壓;

上橋臂MOSFET靜態(tài)漏源導通電阻(R_DS(on))低于7.0mΩ，下橋臂低于3.5mΩ;

上橋臂MOSFET的總柵極電荷(Q_G)非常低;

下橋臂MOSFET 的反向恢復電荷 (Q_rr)較低;

意法半導體的 PowerFLAT 5x6 封裝用于并聯(lián)多個MOSFET開關管，而H²PAK 封裝(2根引線或6根引線)用于單個開關管。

上橋臂 MOSFET 的開關損耗 (P_SW) 用以下公式(公式1)計算：

(1)

其中：

V_IN是DC-DC轉換器的輸入電壓;

I_OUT是負載電流 ;

f_SW是轉換器的開關頻率;

Q_G,SW= Q_gd+ Q_gs是導通MOSFET 所需的電荷量(是柵漏電荷 Q_gd和柵源電荷 Q_gs之和）;

I_GATE是MOSFET的柵極電流。

下橋臂MOSFET的導通損耗(P_COND)用以下公式(公式2)計算：

(2)

其中：

R_DSon[T] 是 MOSFET 在工作溫度 T 時的導通電阻 ;

I_D為MOSFET漏極電流;

D是轉換器的占空比。

最小化開關損耗與優(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(R_DS(on))的開關管，上橋臂MOSFET選擇低柵漏電荷(Q_gd)的開關管，這種權衡考慮對提升系統(tǒng)能效和抑制電磁干擾(EMI)噪聲輻射有很大的影響。

與上一代產品相比，STPOWER STripFET F7系列車規(guī)80V - 100V MOSFET改進了米勒效應敏感度和電容比(C_rss/ C_iss)軟度，如圖2所示。

圖2. F7 系列和上一代產品的電容比波形軟度比較

在續(xù)流階段，MOSFET的漏源電壓(V_DS)被固定在體漏二極管的正向導通電壓(V_DS)。在瞬態(tài)關斷時，V_DS電壓增加，此時電容比起關鍵作用。由于在幾乎V_DS= 0V時，電容比下降趨勢柔和舒緩，而且初始值低，C_rss/C_iss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（圖3）。

圖3：F7 MOSFET體二極管的測量波形

實驗數(shù)據(jù)表明，STripFET F7 MOSFET的體漏二極管回零電流波形非常柔和，僅產生幾次振蕩，從而限制了高頻輻射。

此外，采用新技術制造的車規(guī)80V - 100V MOSFET原型具有良好的開關性能， V_DS電壓尖峰波形平滑，振蕩時間非常短。圖4所示是輕混系統(tǒng)的DC-DC轉換器的下橋臂MOSFET和上橋臂MOSFET在f_sw= 250kHz時測得的開關波形。

圖4：新的下橋臂MOSFET原型和上橋臂MOSFET原型的開關波形

上圖顯示，下橋臂MOSFET中? V_DS最大尖峰電壓僅為52V（深藍色線），使用新型MOSFET的DC-DC轉換器的實測能效達到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)，新的演進技術也能明顯改進能效，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。

實際流經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I_SD= 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，恢復電流是振蕩引起的高頻噪聲的主要根源。近場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系列器件進行了比較。當器件以大約15A的電流開關時，半橋拓撲結構中的下橋臂MOSFET實驗噪聲輻射頻譜如圖7所示，上橋臂MOSFET實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關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，上橋臂的新產品原型在相同的電路板和工作條件(開關頻率，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

對于輕混動力系統(tǒng)，新產品原型改善了開關特性，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。

[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, 2^ndedition 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.

關鍵詞： 反向恢復 輻射頻譜 拓撲結構 解決方案 上一代產品