關(guān)鍵字：汽車配電方案，智能功率器件，短路可靠性

0引言

目前傳統(tǒng)汽車將保險(xiǎn)絲和繼電器作為配電方案的主要組成部分，但隨著汽車新四化和電子電氣架構(gòu)的不斷發(fā)展，尤其在新能源及智能網(wǎng)聯(lián)汽車的帶動(dòng)下，傳統(tǒng)配電方案已無法充分適應(yīng)當(dāng)下技術(shù)發(fā)展路線及應(yīng)用需求。而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，特別是MOSFET技術(shù)和工藝的成熟，智能功率器件得以不斷優(yōu)化，成本逐漸降低，使得其在汽車配電方案中的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，且將逐步擴(kuò)大到車輛的整個(gè)電氣系統(tǒng)。本文基于AEC-Q100-012-REV-2006測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合汽車智能化和電子電氣架構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)下汽車智能配電方案，重點(diǎn)分析智能功率器件短路可靠性試驗(yàn)方法并給出測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為相關(guān)檢測(cè)提供支撐。

1汽車用智能功率器件介紹

汽車用智能功率器件主要包含了一個(gè)DMOS功率MOSFET和CMOS邏輯電路。其主要優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)內(nèi)置保護(hù)，集成驅(qū)動(dòng)、保護(hù)和診斷功能，可在負(fù)載短路時(shí)避免器件損壞發(fā)生。車用智能功率器件功能實(shí)現(xiàn)如圖1所示。

智能功率器件可實(shí)現(xiàn)負(fù)載短路或過流監(jiān)測(cè)，通過狀態(tài)反饋信號(hào)將異常報(bào)告給微控制器。異常情況下永久關(guān)閉智能功率開關(guān)并不是最佳決策。例如汽車正在行駛的狀態(tài)，動(dòng)力控制單元一路供電發(fā)生過流保護(hù)。在延遲一段時(shí)間后，微控制器可以重啟該路供電，以恢復(fù)動(dòng)力控制單元功能。以上策略可以重復(fù)多次，避免汽車處于失去動(dòng)力狀態(tài)。智能功率器件具備過溫保護(hù)等功能。器件內(nèi)部通常會(huì)集成溫度傳感器，一旦溫度超過檢測(cè)閾值，過溫保護(hù)電路便會(huì)響應(yīng)，比如封鎖門級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，停止輸出，并向控制系統(tǒng)反饋故障信號(hào)；提醒控制系統(tǒng)采取相應(yīng)的措施，例如降低負(fù)載或關(guān)閉電源，以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，然后會(huì)基于器件的熱關(guān)斷的溫度遲滯特性進(jìn)行重新開啟操作。此外，在驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載的情況下，蓄電池供電電壓可能在一瞬間低于輸出負(fù)載電壓，器件將瞬間保護(hù)，防止燒毀發(fā)生。汽車維護(hù)過程中可能出現(xiàn)電池反接的情況，器件也具有防反接保護(hù)功能。

2影響車用智能功率器件需求的主要因素

在傳統(tǒng)汽車電子電氣架構(gòu)中，各路電子系統(tǒng)由相應(yīng)的ECU（ElectronicControlUnit，電子控制單元）進(jìn)行管理和控制，電力資源由蓄電池分配到每路負(fù)載。出于車輛運(yùn)行安全考慮，傳統(tǒng)配電方案如圖2所示，都是采用保險(xiǎn)絲和機(jī)械繼電器來執(zhí)行電子電路的開啟和關(guān)斷控制，幾乎每路ECU都要使用獨(dú)立保險(xiǎn)絲，因此整車會(huì)有動(dòng)輒幾十個(gè)甚至上百個(gè)保險(xiǎn)絲。此外，在進(jìn)行汽車電氣設(shè)備開發(fā)時(shí)，需確保緊急情況下的功能安全，而保險(xiǎn)絲熔斷后電氣設(shè)備功能失效，手動(dòng)更換后電氣設(shè)備功能才能恢復(fù)正常。這樣的系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)不具備相應(yīng)的診斷、保護(hù)功能。

2.1汽車智能化的應(yīng)用

隨著近年來智能輔助駕駛技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，汽車對(duì)安全性的要求越來越高。按照國際標(biāo)準(zhǔn)ISO26262針對(duì)汽車電子電氣系統(tǒng)的功能安全的相關(guān)要求，對(duì)汽車安全完整性等級(jí)（ASIL）做了區(qū)分。而智能輔助駕駛系統(tǒng)ASIL等級(jí)的建立首先需要滿足可靠供電。但傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲或繼電器隨機(jī)硬件失效率高，很難滿足功能安全ASILB或ASILD小于100FIT甚至小于10FIT的時(shí)基故障要求。

當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的響應(yīng)速度（即熔斷時(shí)間）一般在數(shù)百毫秒到秒級(jí)，很難滿足智能輔助駕駛系統(tǒng)的要求。當(dāng)某一路負(fù)載發(fā)生短路，蓄電池經(jīng)受秒級(jí)的大電流放電后保險(xiǎn)絲才能夠熔斷，這將使整車電源被瞬間拉低到9V以下。極端情況可能導(dǎo)致涉及功能安全的ECU重啟進(jìn)入異常狀態(tài)，如果車輛正在高速巡航的輔助駕駛狀態(tài)，智能輔助駕駛系統(tǒng)進(jìn)入功能受限狀態(tài)500毫秒，車輛已經(jīng)前進(jìn)數(shù)十米，將導(dǎo)致巨大的安全隱患。

2.2電子電氣架構(gòu)的變革

由于傳統(tǒng)電子電氣架構(gòu)無法滿足軟件定義汽車的需求，汽車一旦出廠，用戶體驗(yàn)基本固化。為了適應(yīng)發(fā)展，必須進(jìn)行軟硬件解耦，以便通過OTA更新動(dòng)力域、底盤域、車身域、座艙域、自動(dòng)駕駛域的軟件和固件，使得車輛的功能迭代更為靈活，甚至修復(fù)軟件漏洞和安全問題，用戶可以感受到汽車常用常新的體驗(yàn)。要達(dá)成這一目的就要進(jìn)行電子電氣架構(gòu)變革。目前汽車電子電氣架構(gòu)正由分布式朝著中央集中式加速演進(jìn)，傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)顯然不能滿足發(fā)展需求，而智能功率器件集高功率密度、低功耗、快速響應(yīng)及支持復(fù)雜控制策略等優(yōu)點(diǎn)于一身，可極大程度支持先進(jìn)的電子電氣架構(gòu)變革，對(duì)于提高汽車性能、降低能耗、提升安全性和駕駛體驗(yàn)有很大幫助。

3汽車智能配電方案

隨著整車電氣負(fù)載的增加、電氣架構(gòu)的演進(jìn)以及新型能源技術(shù)的出現(xiàn)，電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也在不斷地經(jīng)歷變革和優(yōu)化，以適應(yīng)這些新的需求和挑戰(zhàn)，新一代配電架構(gòu)如圖3所示。在汽車電子配電技術(shù)領(lǐng)域，隨著MOSFET（金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管）和HSD（高邊驅(qū)動(dòng)）芯片技術(shù)的飛速發(fā)展，如今正迎來一個(gè)創(chuàng)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。使得設(shè)計(jì)者能夠利用單一的高集成度芯片，來替代傳統(tǒng)的多個(gè)分立元件，如繼電器、保險(xiǎn)絲以及繼電器驅(qū)動(dòng)器等。這種集成化方案不僅精簡了電路設(shè)計(jì)，減少了系統(tǒng)的物理尺寸，還提升了整體的可靠性與效率。通過這樣的技術(shù)革新，汽車電源管理系統(tǒng)正變得更加緊湊、智能，同時(shí)為未來汽車的電氣化和智能化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前使用半導(dǎo)體器件替換傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和繼電器的智能配電方案主要包括2種。

（1）驅(qū)動(dòng)芯片+MOSFET方案。當(dāng)前，半導(dǎo)體廠商在提供適用于車載大電流負(fù)載的智能功率器件方面面臨挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要包括實(shí)現(xiàn)高靈敏度和響應(yīng)速度的電流檢測(cè)、設(shè)計(jì)復(fù)雜的電路保護(hù)機(jī)制，以確?？焖儆行У墓收享憫?yīng)、集成高級(jí)診斷功能以實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)。此外，現(xiàn)有器件在保護(hù)功能的全面性、響應(yīng)速度，以及散熱管理等方面存在局限，同時(shí)還需平衡器件的高集成度與成本效益。車規(guī)級(jí)產(chǎn)品還需滿足一系列嚴(yán)格的環(huán)境和可靠性標(biāo)準(zhǔn)，這增加了設(shè)計(jì)和驗(yàn)證的難度。智能功率器件的軟件和硬件需要高效協(xié)同，以提升整體性能和系統(tǒng)穩(wěn)定性。半導(dǎo)體廠商需不斷創(chuàng)新，以滿足汽車行業(yè)對(duì)高性能、高可靠性智能功率器件的需求。

（2）智能功率器件（智能高邊開關(guān)）集成方案。智能功率器件的集成應(yīng)用，尤其是智能高邊開關(guān)集成方案，使得在單一芯片上實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制、MOSFET功率轉(zhuǎn)換、精確的電流檢測(cè)、實(shí)時(shí)熱保護(hù)、穩(wěn)健的電壓保護(hù)、優(yōu)化的電磁兼容性（EMC）以及全面的診斷功能。這種高度集成化的方案，以其多功能性、快速的保護(hù)響應(yīng)、高可靠性、延長的使用壽命、輕量化設(shè)計(jì)、易于診斷、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)能力以及低維護(hù)性等特點(diǎn)，正逐步替代傳統(tǒng)的配電組件。

智能功率器件在汽車電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用正隨著技術(shù)的成熟和成本的降低而日益廣泛。從變速箱控制到引擎管理，從照明系統(tǒng)到防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS），再到車身電子裝備系統(tǒng)和油壓懸掛控制等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。它們不僅提供了過熱、過電流、過電壓和短路等多種保護(hù)功能，還通過集成化的診斷能力，為系統(tǒng)狀態(tài)提供了實(shí)時(shí)反饋，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，減少意外停機(jī)時(shí)間。這些器件以其高集成度、多功能性、快速響應(yīng)和高可靠性，逐漸成為車輛電子保護(hù)和控制的首選。盡管對(duì)于需要處理極高電流的總線或負(fù)載，行業(yè)可能仍會(huì)采用分立的驅(qū)動(dòng)芯片和MOSFET方案以保持設(shè)計(jì)的靈活性和成本效益，智能功率器件在車載應(yīng)用中的潛力依然不容小覷。

4短路可靠性試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

汽車電子委員會(huì)（AEC）在2006年制定并發(fā)布了AECQ100-012[1]標(biāo)準(zhǔn)，這一標(biāo)準(zhǔn)專門針對(duì)汽車用智能功率器件的短路可靠性測(cè)試，旨在評(píng)估這些器件在持續(xù)短路狀態(tài)下的可靠性表現(xiàn)。標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)規(guī)定了測(cè)試的框架，包括構(gòu)建等效測(cè)試電路的指導(dǎo)、具體的測(cè)試條件、可靠性等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，以及其他相關(guān)的測(cè)試信息。下面針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容進(jìn)行分析。

4.1短路測(cè)試等效電路

根據(jù)智能功率器件在電路中的位置，可將其分為高邊驅(qū)動(dòng)器件和低邊驅(qū)動(dòng)器件，具體短路特性測(cè)試時(shí)等效電路如圖4、圖5所示。

電路中的理想直流電源模擬了汽車啟動(dòng)后的供電電壓VBAT=14V±2%，供電線路等效電阻和電感分別為Rsupply=10mΩ±20%、Lsupply=5μH±20%。負(fù)載線路等效電阻和電感分別為Rshort、Lshort，根據(jù)被測(cè)器件的短路電流參數(shù)范圍而確定。

4.2短路方式

實(shí)際短路阻抗會(huì)因PCB和連接器電阻、電纜長度和直徑以及故障電阻的不同而有所變化。根據(jù)短路故障發(fā)生的場(chǎng)景，可分為終端短路（TSC）和負(fù)載短路（LSC）。

終端短路（TSC）：短路發(fā)生在智能功率器件的輸出端口或靠近輸出端口的地方，短路點(diǎn)非常接近器件，因此其電感和電阻值都很低，由Lshortlt;1μH和Rshort=20mΩ來模擬。如果輸出在短路條件下的電流不超過20A，則不需對(duì)輸出進(jìn)行終端短路測(cè)試。

負(fù)載短路（LSC）：短路發(fā)生在器件和負(fù)載的連接線上，通過Lshort=5μH和根據(jù)器件規(guī)格確定的Rshort來模擬：當(dāng)短路電流Ishort≤20A時(shí)，Rshort=110mΩ-Rsupply；當(dāng)短路電流20A＜Ishort≤100A時(shí)，Rshort=100mΩ；當(dāng)短路電流Ishort＞100A時(shí)，Rshort=50mΩ。

負(fù)載短路（LSC）的阻抗對(duì)應(yīng)于大約5m長、截面積為1mm2或2mm2的電纜，以及具有低阻抗接地路徑的電纜。這種模擬考慮了電纜的物理特性，包括長度和截面積，以及電纜的接地電阻，以確保測(cè)試條件能夠真實(shí)反映器件在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的短路情況。

電壓補(bǔ)償：為了補(bǔ)償在進(jìn)行負(fù)載短路（LSC）測(cè)試時(shí)遇到的連接電阻（如插座、布線、連接器等），電源電壓可能需要調(diào)整以維持負(fù)載和被測(cè)器件兩端的期望電壓降。回路中總電阻Rtotal計(jì)算公式如式（1），補(bǔ)償后的供電電壓如式（2）所示。

式中：Vsupply為補(bǔ)償后的供電電壓；Ishort為短路電流；Rtotal為總電阻；Rdevice為設(shè)備短路時(shí)的電阻；Rparasitic為連接、布線的等效電阻。

以上電壓補(bǔ)償確保在測(cè)試過程中，負(fù)載和被測(cè)器件上的電壓降符合預(yù)期，從而準(zhǔn)確評(píng)估智能功率器件在短路條件下的性能。通過調(diào)整供電電壓，可以模擬實(shí)際應(yīng)用中的短路情況，確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.3測(cè)試條件

根據(jù)智能功率器件的保護(hù)概念，包括狀態(tài)反饋，須選擇以下測(cè)試條件：進(jìn)行短路測(cè)試。

冷重復(fù)短路測(cè)試（短脈沖）：模擬有一個(gè)微控制器監(jiān)控智能功率器件的情況。當(dāng)短路發(fā)生，該控制器可以對(duì)智能功率器件發(fā)出的短路狀態(tài)反饋?zhàn)龀龇磻?yīng)，并在不到10ms（±20%）的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉被測(cè)器件，時(shí)序如圖6所示。

冷重復(fù)短路測(cè)試（長脈沖）：模擬有一個(gè)微控制器監(jiān)控智能功率器件的情況，假設(shè)控制器對(duì)短路狀態(tài)反饋信號(hào)的采樣周期為300ms（±10%），當(dāng)短路發(fā)生，該控制器可以對(duì)智能功率器件發(fā)出的短路狀態(tài)反饋信號(hào)完成采樣后關(guān)閉被測(cè)器件，時(shí)序如圖7所示。

熱重復(fù)短路測(cè)試：模擬沒有微控制器監(jiān)控智能功率器件的情況，因此被測(cè)器件處于短路、保護(hù)、開啟循環(huán)狀態(tài)。

短路特性測(cè)試要求如表1所示。

根據(jù)智能功率器件承受的短路次數(shù)，分為A～O，共9個(gè)通過級(jí)別，最高級(jí)別能夠承受100萬次短路。在試驗(yàn)過程中，被測(cè)器件有無法打開輸出（開路）或無法關(guān)閉輸出（斷路）情況發(fā)生即為失效。2種失效情況在試驗(yàn)過程中應(yīng)被監(jiān)測(cè)到，及時(shí)停止試驗(yàn)以防進(jìn)一步損壞被測(cè)器件或測(cè)試設(shè)備，試驗(yàn)后的電參數(shù)測(cè)試過程中如發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通電阻等參數(shù)測(cè)試結(jié)果超出合格范圍也應(yīng)判定為失效。

4.4智能功率器件短路可靠性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

能夠支持多個(gè)被測(cè)芯片同時(shí)進(jìn)行短路可靠性測(cè)試，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試和監(jiān)測(cè)，異常情況發(fā)生應(yīng)及時(shí)中斷試驗(yàn)。通過光電耦合器控制MOSFET的柵極控制負(fù)載短路。

精準(zhǔn)電阻和電感的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何優(yōu)化線束長度，使其盡可能短。為此，可考慮修改電路板的幾何形狀，以及變更覆銅的厚度來減少阻抗，大電流短路特性試驗(yàn)原理圖[2]可參考圖8。

測(cè)試系統(tǒng)可使用直流電源與大容量電容并聯(lián)來提供低阻抗脈沖電流，同時(shí)可保持工作電壓的靈活性。輸出通道電流可通過有源霍爾傳電流感進(jìn)行監(jiān)測(cè)，控制被測(cè)器件負(fù)載依次短路，減少對(duì)電源性能的需求和被測(cè)器件采樣結(jié)果準(zhǔn)確性的影響。

進(jìn)一步的系統(tǒng)開發(fā)將側(cè)重于對(duì)更詳細(xì)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，尤其是能夠反映潛在的物理老化機(jī)理的參數(shù)。比如漏電流和導(dǎo)通電阻可能與金屬互連電遷移鍵合界面失效有關(guān)。通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，找出被測(cè)芯片的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)一步提升質(zhì)量可靠性。

5結(jié)語

當(dāng)前，新能源汽車產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，其在國內(nèi)汽車市場(chǎng)的占有率已超過30%[3]。隨著汽車行業(yè)向智能化和電子電氣架構(gòu)的轉(zhuǎn)型，智能功率器件的需求急劇增加，預(yù)計(jì)每輛智能汽車需要40至50顆。這些器件通?；贛OSFET和CMOS工藝制造，對(duì)生產(chǎn)過程及可靠性要求極高。因此，這一市場(chǎng)目前主要由歐美半導(dǎo)體巨頭（如英飛凌、意法半導(dǎo)體等）壟斷，國產(chǎn)替代面臨挑戰(zhàn)。面對(duì)這一局面，國內(nèi)半導(dǎo)體企業(yè)正加大研發(fā)投入，加強(qiáng)國際合作，通過技術(shù)創(chuàng)新，逐步提升產(chǎn)品性能，從滿足小電流負(fù)載的應(yīng)用開始，逐步向大電流負(fù)載和高功能安全等級(jí)的產(chǎn)品發(fā)展。在新能源汽車和自動(dòng)駕駛技術(shù)的推進(jìn)下，國內(nèi)企業(yè)將獲得更多的發(fā)展機(jī)遇，通過不懈努力和戰(zhàn)略布局，國產(chǎn)半導(dǎo)體有望在未來汽車電子領(lǐng)域取得重要地位，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代，推動(dòng)國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。