焦點(diǎn)速訊：論如何降低48V輕混汽車(chē)系統(tǒng)中的噪聲輻射

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

全球汽車(chē)市場(chǎng)當(dāng)今的銷(xiāo)售趨勢(shì)仍是傳統(tǒng)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(nèi)的新能源汽車(chē)所占據(jù)，輕混動(dòng)力汽車(chē)是其中最重要的細(xì)分市場(chǎng)之一。

事實(shí)上，輕混動(dòng)力平臺(tái)已經(jīng)是一個(gè)具體的傳統(tǒng)汽車(chē)架構(gòu)替代解決方案，因?yàn)檩p混系統(tǒng)滿足了對(duì)更大動(dòng)力儲(chǔ)備的需求，同時(shí)可以降低動(dòng)力系統(tǒng)總體成本。輕混系統(tǒng)有以下優(yōu)勢(shì)：

(相關(guān)資料圖)

集成了驅(qū)動(dòng)電機(jī)，停車(chē)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(shí)，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(jīng)取得AEC-Q101車(chē)規(guī)產(chǎn)品認(rèn)證，新的車(chē)規(guī)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，魯棒性足以滿足所有車(chē)用要求，是解決 48V-12V DC-DC 功率轉(zhuǎn)換器高頻輻射抗擾度問(wèn)題的正確之選。

輕混架構(gòu)中的 DC-DC轉(zhuǎn)換

在輕混汽車(chē)上，DC-DC轉(zhuǎn)換器將48V鋰電池儲(chǔ)存的部分電能轉(zhuǎn)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(fù)載和信息娛樂(lè)系統(tǒng)供電。該轉(zhuǎn)換器還支持電流雙向流動(dòng)，在某些情況下，12V電瓶可以對(duì)48V鋰電池充電，在汽車(chē)拋錨時(shí)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)到達(dá)最近的汽修廠。

該轉(zhuǎn)換器的常見(jiàn)技術(shù)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(zhuǎn)換器的原理圖。

圖1：多相 DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器的原理圖

DC-DC轉(zhuǎn)換器一個(gè)電源模塊，組件包括：

MOSFET半橋(HB)和柵極驅(qū)動(dòng)器，柵極驅(qū)動(dòng)器帶有一個(gè)用于電流檢測(cè)的內(nèi)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(hù)電驅(qū)系統(tǒng)，斷開(kāi)系統(tǒng)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(dǎo)通電阻(R_DS(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(tǒng)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(dǎo)通電阻(R_DS(on))非常低的40V MOSFET開(kāi)關(guān)管；

控制器，根據(jù)負(fù)載水平負(fù)責(zé)各相之間同步、激活和調(diào)節(jié)，在相轉(zhuǎn)換發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，關(guān)閉系統(tǒng) ;

為單相過(guò)流事件和因電池?cái)嚅_(kāi)而引起的輸出過(guò)壓現(xiàn)象提供更多保護(hù)。

在這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，上橋臂(HS) MOSFET經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)性能，降低噪聲輻射，從而改善轉(zhuǎn)換器在輕負(fù)載下的能效，而下橋臂(LS) MOSFET也經(jīng)過(guò)了優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以最大限度地降低導(dǎo)通損耗，從而提高轉(zhuǎn)換器在高負(fù)載時(shí)的能效。

因此，48V-12V DC-DC轉(zhuǎn)換器中上下橋臂MOSFET的主要特性可以總結(jié)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(biāo)準(zhǔn)電壓;

上橋臂MOSFET靜態(tài)漏源導(dǎo)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(fù)電荷 (Q_rr)較低;

意法半導(dǎo)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根引線或6根引線)用于單個(gè)開(kāi)關(guān)管。

上橋臂 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗 (P_SW) 用以下公式(公式1)計(jì)算：

(1)

其中：

V_IN是DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入電壓;

I_OUT是負(fù)載電流 ;

f_SW是轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率;

Q_G,SW= Q_gd+ Q_gs是導(dǎo)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(dǎo)通損耗(P_COND)用以下公式(公式2)計(jì)算：

(2)

其中：

R_DSon[T] 是 MOSFET 在工作溫度 T 時(shí)的導(dǎo)通電阻 ;

I_D為MOSFET漏極電流;

D是轉(zhuǎn)換器的占空比。

最小化開(kāi)關(guān)損耗與優(yōu)化導(dǎo)通損耗之間的最佳折衷方案是下橋臂MOSFET選擇低導(dǎo)通電阻(R_DS(on))的開(kāi)關(guān)管，上橋臂MOSFET選擇低柵漏電荷(Q_gd)的開(kāi)關(guān)管，這種權(quán)衡考慮對(duì)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(chǎn)品相比，STPOWER STripFET F7系列車(chē)規(guī)80V - 100V MOSFET改進(jìn)了米勒效應(yīng)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(chǎn)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?qū)妷?V_DS)。在瞬態(tài)關(guān)斷時(shí)，V_DS電壓增加，此時(shí)電容比起關(guān)鍵作用。由于在幾乎V_DS= 0V時(shí)，電容比下降趨勢(shì)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(yīng)，并且還有助于最小化MOSFET的亞閾值導(dǎo)通，降低對(duì)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(fù)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(cè)量波形

實(shí)驗(yàn)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(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(guī)80V - 100V MOSFET原型具有良好的開(kāi)關(guān)性能， V_DS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(tǒng)的DC-DC轉(zhuǎn)換器的下橋臂MOSFET和上橋臂MOSFET在f_sw= 250kHz時(shí)測(cè)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? V_DS最大尖峰電壓僅為52V（深藍(lán)色線），使用新型MOSFET的DC-DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)測(cè)能效達(dá)到94%，如下所示（圖5）。

圖5.使用新的MOSFET原型的DC-DC轉(zhuǎn)換器的測(cè)量能效

轉(zhuǎn)換器的能效還受到下橋臂MOSFET體漏極二極管反向恢復(fù)電荷的影響。流向體二極管的恢復(fù)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(cè)量的恢復(fù)波形所示。

圖6.新MOSFET原型的恢復(fù)電流測(cè)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?yàn)槭褂秒娏骰ジ衅鞑杉疘_SD= 60A電流。

這種恢復(fù)電流還在很大程度上決定了轉(zhuǎn)換器的噪聲輻射速率，因?yàn)樵陔娏骰亓銜r(shí)，恢復(fù)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(cè)量試驗(yàn)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(dāng)器件以大約15A的電流開(kāi)關(guān)時(shí)，半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的下橋臂MOSFET實(shí)驗(yàn)噪聲輻射頻譜如圖7所示，上橋臂MOSFET實(shí)驗(yàn)噪聲輻射頻譜如圖8所示。

圖7.下橋臂F7和新MOSFET原型的測(cè)量噪聲輻射頻譜比較

圖8. 上橋臂F7系列和新MOSFET原型的測(cè)量噪聲輻射頻譜比較

兩張圖顯示在與應(yīng)用開(kāi)關(guān)條件對(duì)應(yīng)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(jí)F7器件。

結(jié)論

對(duì)于輕混動(dòng)力系統(tǒng)，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(zhuǎn)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(fù)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(zhuǎn)換和電機(jī)控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中理想的且廣泛認(rèn)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.

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[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(guān)鍵詞： 反向恢復(fù) 輻射頻譜 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 解決方案 上一代產(chǎn)品