功率MOSFET - 48V系统中的重要组件

简要介绍为什么功率MOSFET的特性使其成为48伏特起动发电机等汽车应用的理想选择

在讨论了48伏特架构(“48伏特轻度混合动力系统的出现”)并描述了一些主要应用(“48伏特起动发电机”)后,我们需要深入研究这些新系统的电气要求。在这篇博客中,我会简要介绍功率MOSFET,并讨论它们在汽车应用中的角色,例如48伏特启动发电机。

什么是功率MOSFET?

功率半导体的类型非常丰富 - 功率二极管、晶闸管、双极结晶体管(BJT)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。具体的器件选择将取决于应用程序的要求。

对于用作电压控制开关的MOSFET器件,与其他功率半导体相比,它们需要更快的开关能力。对于需要高速操作(例如电机控制)的应用来说,这一特性特别有用。图1展示了基本MOSFET器件的示意图。

Package footprint improvement of clip-bonded LFPAK

The LFPAK family

1MOSFET的示意图

MOSFET通过栅极端子控制。栅极端子的作用类似于电流流过的漏极和源极端子之间的连接桥。根据是否向端子施加电压,可打开和关闭该连接桥。漏极和源极之间的电流流量与施加的电压量成正比。 

晶体管的制造方式以及用于制作通道的材料会影响栅极的工作方式。在N通道半导体中,大多数电荷载体是电子,而在P通道半导体中,大多数电荷载体是空穴。换句话说,N通道器件需要正栅极电压,而P通道需要负栅极电压才能工作。

LFPAK family (LFPAK88 planned for release in 2019)

功率MOSFET在48伏特起动发电机中的角色

大略了解MOSFET之后,我们来看看这些器件如何在48伏特起动发电机中发挥作用。起动发电机由多相电机组成,需要通过复杂的控制电路进行管理。MOSFET48V系统中非常重要,凭借较低的传导损耗和更快的开关速度,被证明优于传统的BJT开关。图2显示了一个典型的三相电机控制电路,该电路采用H桥配置的6MOSFET开关。相位调整的原因是为了提高操作效率,降低成本。

48V DC/DC converter block diagram

2:使用N通道MOSFET的三相无刷直流电机控制(图片来自Nexperia汽车应用工程师Andy Berry

在电机控制电路中,只要开关没有串联连接,任何时候只能有一个来自电源侧的开关和一个来自接地端的开关工作。例如,关闭S1S6可提供平滑连接,而关闭S1S4将导致短路。此外,需要谨慎管理开关相位之间的转换,以避免错误连接。这是通过较短的死区时间(通常为纳秒)实现的,在这个时间段所有开关打开。

2还显示了一个相位的正确电流,其中电流通过S1,流向电机并最终通过S6接地。然后,电流通过S2S4以及S3S5转移到后续相位,然后返回第一相位。   

通常,48伏特启动发电机的电机控制拓扑结构大于3相(例如6相),以满足更高功率和更高效率的需求。流向多相电机的电流通常在200A520A的范围内。该电流极强,因此必须使用具有极低RDS(on)和高I电流能力MOSFET

在图2中,选择使用N通道开关,这是因为n型具有较低的RDS(on)。这样可以实现更低的功耗和功率损失,其中功率损失等于电阻乘以电流的平方(P损耗=I2*R)。首选MOSFET器件必须能够处理每件250 A - 300 AID MAX,且DS(on)不高于1 m

另一方面,MOSFET器件还必须能够处理48伏特系统的电压尖峰。电压尖峰是指电源电压中短暂且快速的电能爆发(瞬态)。如果无法应对这种特殊情况,开关很容易损坏。因此,电气工程师应考虑能够承受至少1.5倍系统电压的器件。在48伏特的系统中,这意味着MOSFET需要在漏极和源极之间承受80 V乃至100 VVDS [3]的电压。

48V DC/DC converter functional blocks

Meeting these demands is possible by using copper clip packaging technology in package solutions such as the LFPAK88, which can reach resistances as low as 0.7 mΩ for a 40-volt device. Furthermore, this 8 mm by 8 mm LFPAK can withstand continuous currents of around 325 Amps.

All in all, systems such as the 48-volt DC/DC converter require significant amount of electronics to be efficient and useful. It is important to note that in addition to the MOSFETs, devices such as diodes and logic gates also play an important role in the overall system.

功率MOSFET - 48V系统中的重要组件

在高功率应用中,MOSFET开关的散热能力非常重要。因此,特别需要可靠的MOSFET封装,以满足严格的散热要求和板级可靠性。对于48伏特起动发电机,其功率等级可达25 kW。由于没有相应的封装解决方案,迫使制造商使用裸片(无封装)解决方案。

尽管分立封装解决方案并不能解决启动发电机的问题,许多其他48伏特应用(48/12 V DC/DC转换器、电动增压器、电池管理系统等)都可以从这一解决方案中受益。Nexperia的分立封装MOSFET提供不同的形状和尺寸,是车辆电气化的重要组成部分。在下一篇博客中,我将详细讨论这些封装解决方案,并解释它们为什么适用于48/12 V DC/DC转换器等应用

Ivan Petrov

Ivan Petrov

Ivan近期获得曼彻斯特大学电气和电子工程专业工程学学士(荣誉)学位,其于2016年9月加入安世半导体担任技术营销工程师一职,并在短短的一年后晋升为研究生营销工程师。他负责功率半导体业务的市场分析。在过去的一年里,他发表了几篇深受好评的传统动力系统报告,并开始致力于汽车电气化这一迅速发展的领域。Ivan对电动车(xEV)系统的了解来自于其静态研究、参与的众多xEV会议和全球客户拜访。在工作之余,他是一名活跃的网球选手,他的比赛风格和外表曾被人拿来与罗杰·费德勒和格里戈尔·季米特洛夫比较。