【導(dǎo)讀】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(dòng)了英飛凌智能功率器件 (IPD)在車身負(fù)載驅(qū)動(dòng)的大規(guī)模應(yīng)用。對(duì)于感量較大的負(fù)載,如雨刮、鼓風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇、繼電器等,需要考慮負(fù)載關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的能量對(duì)系統(tǒng)的沖擊,同時(shí)驅(qū)動(dòng)器件不能被該能量擊穿。本文提供了評(píng)估測(cè)量感性能量的方法和工具,在一個(gè)明確定義的應(yīng)用場(chǎng)景中,瞬間關(guān)斷時(shí)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(duì)比,保證IPD器件長(zhǎng)期可靠工作。
1 簡(jiǎn)介
退磁過程介紹
汽車應(yīng)用越來越需要具備驅(qū)動(dòng)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(jī)、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(jī)、水泵、油泵也同樣表現(xiàn)為感性特點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)這些負(fù)載最簡(jiǎn)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(shí),存儲(chǔ)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(chǔ)的能量加上VBAT產(chǎn)生的能量將同時(shí)耗散:能量較小時(shí),將通過熱的形式消耗到負(fù)載本身(RL);當(dāng)能量較大時(shí),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(shí)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(huì)延長(zhǎng)執(zhí)行器的關(guān)閉時(shí)間(tF)。
在某些應(yīng)用場(chǎng)合下,例如:噴油器驅(qū)動(dòng)、PWM控制閥等,對(duì)關(guān)閉時(shí)間有嚴(yán)格的要求。因此,IPD所具備主動(dòng)鉗位的功能,使其成為一個(gè)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(shí)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(duì)于大功率應(yīng)用場(chǎng)景中,通常都具備更多能量沖擊,會(huì)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(shí)感性負(fù)載Ecl能量測(cè)量
評(píng)估實(shí)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(shí)際測(cè)量得到。當(dāng)然,除了保證測(cè)量?jī)x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(shí)際應(yīng)用中情況。如圖2所示,鉗位能量的測(cè)試,建議將負(fù)載保持在試驗(yàn)箱內(nèi)預(yù)期的工作溫度下進(jìn)行測(cè)量。
圖 2
電感儲(chǔ)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(shí)間。
1)通過LCR測(cè)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(cè)獲得
現(xiàn)在我們來看一個(gè)真實(shí)的例子:利用時(shí)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(cè)VD、IL及其積分的乘積,如圖3所示。
圖3 ECL測(cè)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(shí)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(jì)算如下:
如果我們將近似值與實(shí)測(cè)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(jì)算
將IPD內(nèi)部集成主要元器件分離,考慮ON與OFF時(shí)兩種狀態(tài),其等效電路如圖4所示。
ON狀態(tài)時(shí),負(fù)載IL電流如公式(1):
τR是電感電流上升的時(shí)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(shí)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(gè)事實(shí),即短時(shí)間接通不會(huì)給負(fù)載足夠的時(shí)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(shí),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(dòng)態(tài)方程。
對(duì)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(jī)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(dòng)態(tài)電流方程為
三要素法,恒定激勵(lì)下一階微分方程的解的一般形式為
據(jù)此求得電流的動(dòng)態(tài)方程表示為:
令i(t) = 0;進(jìn)而可得:
電感電流的歸零時(shí)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(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)值,以及電流的歸零時(shí)間已經(jīng)精確求得,這樣我們就可以求解能量ECL,也就是對(duì)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(shí)間tF也已確定),這個(gè)時(shí)候求解積分方程即可得出理論上的能量值。
對(duì)公式(6)求解,代入已知條件,
將公式(8)代入公式(7)計(jì)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(shí)的鉗位能量,并基于此量化數(shù)據(jù)去評(píng)估并選擇合適的高邊智能開關(guān)。
3 外部特性對(duì)負(fù)載電阻與電感影響
3.1 溫度對(duì)電阻影響
鑒于感性負(fù)載的機(jī)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(huì)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(duì)于銅,αcu=0.0039 K-1。對(duì)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(huì)產(chǎn)生不同的電阻值。在實(shí)際評(píng)估過程中,考慮溫度影響會(huì)更加合理和準(zhǔn)確。
3.2 電流對(duì)電感影響
構(gòu)成線圈磁芯的鐵磁性材料表現(xiàn)出對(duì)磁場(chǎng)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(jī)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(jī)構(gòu)的失效或異常行為不能輕易排除。由于這個(gè)原因,電感對(duì)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(shí)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(shí)發(fā)生的鉗位事件,闡述了鉗位能量的測(cè)量方法,提出了鉗位能量的計(jì)算公式。通過實(shí)測(cè)值與計(jì)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(shí)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(shí)際應(yīng)用過程中,可以結(jié)合公式(9)去準(zhǔn)確計(jì)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(dòng)對(duì)應(yīng)負(fù)載,保證系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。
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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(shí)用技術(shù)》2022年第十一期。
來源:英飛凌
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