汽車感性負(fù)載安全退磁能量計算和分析

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，輕量化與智能化的需求也帶動了英飛凌智能功率器件 (IPD)在車身負(fù)載驅(qū)動的大規(guī)模應(yīng)用。對于感量較大的負(fù)載，如雨刮、鼓風(fēng)機、風(fēng)扇、繼電器等，需要考慮負(fù)載關(guān)斷時產(chǎn)生的能量對系統(tǒng)的沖擊，同時驅(qū)動器件不能被該能量擊穿。本文提供了評估測量感性能量的方法和工具，在一個明確定義的應(yīng)用場景中，瞬間關(guān)斷時的產(chǎn)生的箝位能量（ECL），與高壓側(cè)器件本身的能量能力進(jìn)行對比，保證IPD器件長期可靠工作。

1 簡介

退磁過程介紹

汽車應(yīng)用越來越需要具備驅(qū)動大電流、大感量執(zhí)行器的能力，在變速箱控制模塊（TCU）應(yīng)用中，常用的執(zhí)行器如電機、電磁閥（凈化、進(jìn)氣）等；在車身控制模塊（BCM）中，常用的執(zhí)行器如雨刮、繼電器或風(fēng)機、水泵、油泵也同樣表現(xiàn)為感性特點。驅(qū)動這些負(fù)載最簡單和最常見的方法是將它們連接到高邊側(cè)開關(guān)的輸出，如圖1所示(器件集成的診斷和保護(hù)功能未在框圖內(nèi)顯示)。

圖 1 高邊控制模塊框圖與等效電路

在開關(guān)的導(dǎo)通階段給感性元件充電時，存儲的能量與負(fù)載電流（IL）和電感（L）有關(guān)，如下所示：

在開關(guān)斷開之后，負(fù)載電流將降至零，之前存儲的能量加上VBAT產(chǎn)生的能量將同時耗散：能量較小時，將通過熱的形式消耗到負(fù)載本身（RL）；當(dāng)能量較大時，大部分能量將被IPD內(nèi)置鉗位二極管吸收，從而保護(hù)IPD芯片與負(fù)載。通常，工程上可以實施不同的技術(shù)以減少這種施加到IPD內(nèi)部的耗散能量，如通過使用續(xù)流二極管或RC并聯(lián)支路等。但是，以上方法除了增加成本與系統(tǒng)復(fù)雜程度之外，還會延長執(zhí)行器的關(guān)閉時間（tF）。

在某些應(yīng)用場合下，例如：噴油器驅(qū)動、PWM控制閥等，對關(guān)閉時間有嚴(yán)格的要求。因此，IPD所具備主動鉗位的功能，使其成為一個非常完美的解決方案。通常，IPD所具備的箝位電壓（VCL）越高，其關(guān)閉時間tF將越短。并且，能量在箝位期間耗散到IPD內(nèi)置TVS中，稱之為箝位能量（ECL），對于大功率應(yīng)用場景中，通常都具備更多能量沖擊，會在器件硅中產(chǎn)生重復(fù)的熱應(yīng)力，從而影響器件壽命以及其它功能等。

2 感性負(fù)載

2.1 工程應(yīng)用時感性負(fù)載Ecl能量測量

評估實際負(fù)載特性并獲得高邊開關(guān)中耗散的箝位能量值的最佳方法是通過實際測量得到。當(dāng)然，除了保證測量儀器的精準(zhǔn)，盡可能多地再現(xiàn)執(zhí)行器的操作條件是很重要的，這樣更能貼近實際應(yīng)用中情況。如圖2所示，鉗位能量的測試，建議將負(fù)載保持在試驗箱內(nèi)預(yù)期的工作溫度下進(jìn)行測量。

圖 2

電感儲存能量公式為：

鉗位能量表示為：

其中VD和IL分別是開關(guān)電壓和負(fù)載電流，tF是負(fù)載電流關(guān)閉后歸零需要的時間。

1）通過LCR測量確定的標(biāo)稱值

2）器件特性通過英飛凌官方數(shù)據(jù)手冊獲得

現(xiàn)在我們來看一個真實的例子：利用時下常見的數(shù)字示波器的數(shù)學(xué)函數(shù)，很容易得到被測VD、IL及其積分的乘積，如圖3所示。

圖3  ECL測量（RL=0.53?，LL=206uH，VBAT=12V，TA=25°C）2

備注2 綠色C4為電流關(guān)斷波形，紫色C2為out引腳負(fù)壓波形，藍(lán)色F2為C2*C4在關(guān)斷時間內(nèi)的積分。

結(jié)果如下：

–VCL=38.2V

–IL=11.3A

–tF=92微秒

–ECL=6.51mJ

工程應(yīng)用中，通常直接將電流等效成線性函數(shù)進(jìn)行近似求解，公式計算如下：

如果我們將近似值與實測值進(jìn)行比較，很明顯我們可以看到誤差高于100%。

2.2 ECL理論模型分析和計算

將IPD內(nèi)部集成主要元器件分離，考慮ON與OFF時兩種狀態(tài)，其等效電路如圖4所示。

ON狀態(tài)時，負(fù)載IL電流如公式（1）：

τR是電感電流上升的時間常數(shù)

ILIM是IPD器件本身的限制電流，tON是執(zhí)行器的開啟持續(xù)時間。等式（4）除了包括開關(guān)電流保護(hù)的可能干預(yù)之外，我們還考慮了這樣一個事實，即短時間接通不會給負(fù)載足夠的時間來達(dá)到其狀態(tài)電流。

圖 4 等效電路

2.2.1 齊次微分方程求解

輸出關(guān)斷時，電路的等效微分方程為

以iL（0）=IL為初始條件求解方程（5），得到電感電流的動態(tài)方程。

對一階線性齊次微分方程求通解，電感電流按指數(shù)規(guī)律衰減，衰減的快慢取決于電感自身機電常數(shù)τ。VBAT-VClamp=0，待求解微分方程如下：

提取特征方程為

求得特征解為

然后再求得通解為

得到通解，也就是暫態(tài)分量，繼續(xù)求特解，也即穩(wěn)態(tài)解。

2.2.2 非齊次微分方程求解

動態(tài)電流方程為

三要素法，恒定激勵下一階微分方程的解的一般形式為

據(jù)此求得電流的動態(tài)方程表示為：

令i(t) = 0；進(jìn)而可得：

電感電流的歸零時間tF 詳細(xì)求解如下所示：

最終求得tF準(zhǔn)確的表達(dá)式為：

器件的鉗位電壓VCL，電流動態(tài)實時值，以及電流的歸零時間已經(jīng)精確求得，這樣我們就可以求解能量ECL，也就是對功率進(jìn)行積分，其中鉗位電壓是固定的(器件集成的鉗位管決定的)，電流呈現(xiàn)指數(shù)衰減（感性負(fù)載特性），off 階段的持續(xù)時間tF也已確定），這個時候求解積分方程即可得出理論上的能量值。

對公式（6）求解，代入已知條件，

將公式（8）代入公式（7）計算，可得最后的能量值

正常情況下，基于公式（9），可以得到感性負(fù)載關(guān)斷時的鉗位能量，并基于此量化數(shù)據(jù)去評估并選擇合適的高邊智能開關(guān)。

3 外部特性對負(fù)載電阻與電感影響

3.1 溫度對電阻影響

鑒于感性負(fù)載的機電參數(shù)與溫度息息相關(guān)，也即任何金屬的導(dǎo)電性通常都會受到溫度的影響，從而產(chǎn)生R和T之間的關(guān)系。如下式：

式中，α是材料之間變化的系數(shù)，對于銅，αcu=0.0039 K-1。對于典型的汽車溫度應(yīng)用范圍[-50°C，150°C]，結(jié)合以上公式，在全溫度范圍必然會產(chǎn)生不同的電阻值。在實際評估過程中，考慮溫度影響會更加合理和準(zhǔn)確。

3.2 電流對電感影響

構(gòu)成線圈磁芯的鐵磁性材料表現(xiàn)出對磁場的依賴性。因此，線圈的電感量與流過線圈的電流有依賴關(guān)系。一般來說，在一定的電流水平，即飽和電流下，電感也隨著溫度的升高而減小。此外，我們需要考慮的是，許多執(zhí)行器（如繼電器）由于機械故障而改變其核心的形態(tài)開關(guān)，即改變磁芯的磁導(dǎo)率（μ），從而產(chǎn)生電感。不幸的是，執(zhí)行機構(gòu)的失效或異常行為不能輕易排除。由于這個原因，電感對電流的依賴性很難包含在方程式中。重要的是要知道，負(fù)載的實際鉗位能量將受到這種效應(yīng)的嚴(yán)重影響。

4 總結(jié)

本文描述了英飛凌智能高邊開關(guān)關(guān)斷感性器件時發(fā)生的鉗位事件，闡述了鉗位能量的測量方法，提出了鉗位能量的計算公式。通過實測值與計算值的比較，指出了由于荷載的非理想性而引起的偏差。這是一種實用的方法，根據(jù)感性電感、電阻參數(shù)以及溫度、供電電壓等參數(shù)，在實際應(yīng)用過程中，可以結(jié)合公式（9）去準(zhǔn)確計算鉗位能量，從而去最優(yōu)化的選擇英飛凌IPD器件來穩(wěn)定驅(qū)動對應(yīng)負(fù)載，保證系統(tǒng)的長期可靠性。

參考文獻(xiàn)

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本文由英飛凌任寶棟，與聯(lián)合電子汽車洪 煒、薛洋、張久慶聯(lián)合撰寫，并發(fā)表于《汽車實用技術(shù)》2022年第十一期。

來源：英飛凌