汽車感性負載安全退磁能量計算和分析

隨著汽車電子技術的發(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)在車身負載驅(qū)動的大規(guī)模應用。對于感量較大的負載，如雨刮、鼓風機、風扇、繼電器等，需要考慮負載關斷時產(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用場景中，瞬間關斷時的產(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）應用中，常用的執(zhí)行器如電機、電磁閥（凈化、進氣）等；在車身控制模塊（BCM）中，常用的執(zhí)行器如雨刮、繼電器或風機、水泵、油泵也同樣表現(xiàn)為感性特點。驅(qū)動這些負載最簡單和最常見的方法是將它們連接到高邊側(cè)開關的輸出，如圖1所示(器件集成的診斷和保護功能未在框圖內(nèi)顯示)。

圖 1 高邊控制模塊框圖與等效電路

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

在開關斷開之后，負載電流將降至零，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載本身（RL）；當能量較大時，大部分能量將被IPD內(nèi)置鉗位二極管吸收，從而保護IPD芯片與負載。通常，工程上可以實施不同的技術以減少這種施加到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)復雜程度之外，還會延長執(zhí)行器的關閉時間（tF）。

在某些應用場合下，例如：噴油器驅(qū)動、PWM控制閥等，對關閉時間有嚴格的要求。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)生重復的熱應力，從而影響器件壽命以及其它功能等。

2 感性負載

2.1 工程應用時感性負載Ecl能量測量

評估實際負載特性并獲得高邊開關中耗散的箝位能量值的最佳方法是通過實際測量得到。當然，除了保證測量儀器的精準，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用中情況。如圖2所示，鉗位能量的測試，建議將負載保持在試驗箱內(nèi)預期的工作溫度下進行測量。

圖 2

電感儲存能量公式為：

鉗位能量表示為：

其中VD和IL分別是開關電壓和負載電流，tF是負載電流關閉后歸零需要的時間。

1）通過LCR測量確定的標稱值

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為電流關斷波形，紫色C2為out引腳負壓波形，藍色F2為C2*C4在關斷時間內(nèi)的積分。

結(jié)果如下：

–VCL=38.2V

–IL=11.3A

–tF=92微秒

–ECL=6.51mJ

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

如果我們將近似值與實測值進行比較，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）除了包括開關電流保護的可能干預之外，我們還考慮了這樣一個事實，即短時間接通不會給負載足夠的時間來達到其狀態(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；進而可得：

電感電流的歸零時間tF 詳細求解如下所示：

最終求得tF準確的表達式為：

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），可以得到感性負載關斷時的鉗位能量，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。

3 外部特性對負載電阻與電感影響

3.1 溫度對電阻影響

鑒于感性負載的機電參數(shù)與溫度息息相關，也即任何金屬的導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，即改變磁芯的磁導率（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，負載的實際鉗位能量將受到這種效應的嚴重影響。

4 總結(jié)

本文描述了英飛凌智能高邊開關關斷感性器件時發(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)，在實際應用過程中，可以結(jié)合公式（9）去準確計算鉗位能量，從而去最優(yōu)化的選擇英飛凌IPD器件來穩(wěn)定驅(qū)動對應負載，保證系統(tǒng)的長期可靠性。

參考文獻

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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》2022年第十一期。

來源：英飛凌