【導讀】隨著(zhù)汽車(chē)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(chē)身負載驅動(dòng)的大規模應用。對于感量較大的負載，如雨刮、鼓風(fēng)機、風(fēng)扇、繼電器等，需要考慮負載關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的能量對系統的沖擊，同時(shí)驅動(dòng)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(gè)明確定義的應用場(chǎng)景中，瞬間關(guān)斷時(shí)的產(chǎn)生的箝位能量（ECL），與高壓側器件本身的能量能力進(jìn)行對比，保證IPD器件長(cháng)期可靠工作。
1 簡(jiǎn)介
退磁過(guò)程介紹
汽車(chē)應用越來(lái)越需要具備驅動(dòng)大電流、大感量執行器的能力，在變速箱控制模塊（TCU）應用中，常用的執行器如電機、電磁閥（凈化、進(jìn)氣）等；在車(chē)身控制模塊（BCM）中，常用的執行器如雨刮、繼電器或風(fēng)機、水泵、油泵也同樣表現為感性特點(diǎn)。驅動(dòng)這些負載最簡(jiǎn)單和最常見(jiàn)的方法是將它們連接到高邊側開(kāi)關(guān)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顯示)。
圖 1 高邊控制模塊框圖與等效電路
在開(kāi)關(guān)的導通階段給感性元件充電時(shí)，存儲的能量與負載電流（IL）和電感（L）有關(guān)，如下所示：
在開(kāi)關(guān)斷開(kāi)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(shí)耗散：能量較小時(shí)，將通過(guò)熱的形式消耗到負載本身（RL）；當能量較大時(shí)，大部分能量將被IPD內置鉗位二極管吸收，從而保護IPD芯片與負載。通常，工程上可以實(shí)施不同的技術(shù)以減少這種施加到IPD內部的耗散能量，如通過(guò)使用續流二極管或RC并聯(lián)支路等。但是，以上方法除了增加成本與系統復雜程度之外，還會(huì )延長(cháng)執行器的關(guān)閉時(shí)間（tF）。
在某些應用場(chǎng)合下，例如：噴油器驅動(dòng)、PWM控制閥等，對關(guān)閉時(shí)間有嚴格的要求。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內置TVS中，稱(chēng)之為箝位能量（ECL），對于大功率應用場(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(shí)感性負載Ecl能量測量
評估實(shí)際負載特性并獲得高邊開(kāi)關(guān)中耗散的箝位能量值的最佳方法是通過(guò)實(shí)際測量得到。當然，除了保證測量?jì)x器的精準，盡可能多地再現執行器的操作條件是很重要的，這樣更能貼近實(shí)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預期的工作溫度下進(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(kāi)關(guān)電壓和負載電流，tF是負載電流關(guān)閉后歸零需要的時(shí)間。
1）通過(guò)LCR測量確定的標稱(chēng)值
2）器件特性通過(guò)英飛凌官方數據手冊獲得
現在我們來(lái)看一個(gè)真實(shí)的例子：利用時(shí)下常見(jiàn)的數字示波器的數學(xué)函數，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引腳負壓波形，藍色F2為C2*C4在關(guān)斷時(shí)間內的積分。
結果如下：
–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(xiàn)性函數進(jìn)行近似求解，公式計算如下：
如果我們將近似值與實(shí)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)，負載IL電流如公式（1）：
τR是電感電流上升的時(shí)間常數
ILIM是IPD器件本身的限制電流，tON是執行器的開(kāi)啟持續時(shí)間。等式（4）除了包括開(kāi)關(guān)電流保護的可能干預之外，我們還考慮了這樣一個(gè)事實(shí)，即短時(shí)間接通不會(huì )給負載足夠的時(shí)間來(lái)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(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。
對一階線(xiàn)性齊次微分方程求通解，電感電流按指數規律衰減，衰減的快慢取決于電感自身機電常數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，繼續求特解，也即穩態(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，恒定激勵下一階微分方程的解的一般形式為
據此求得電流的動(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(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)，電流呈現指數衰減（感性負載特性），off 階段的持續時(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(guān)斷時(shí)的鉗位能量，并基于此量化數據去評估并選擇合適的高邊智能開(kāi)關(guān)。
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與溫度息息相關(guān)，也即任何金屬的導電性通常都會(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，對于銅，αcu=0.0039 K-1。對于典型的汽車(chē)溫度應用范圍[-50°C，150°C]，結合以上公式，在全溫度范圍必然會(huì )產(chǎn)生不同的電阻值。在實(shí)際評估過(guò)程中，考慮溫度影響會(huì )更加合理和準確。
3.2 電流對電感影響
構成線(xiàn)圈磁芯的鐵磁性材料表現出對磁場(chǎng)的依賴(lài)性。因此，線(xiàn)圈的電感量與流過(guò)線(xiàn)圈的電流有依賴(lài)關(guān)系。一般來(lái)說(shuō)，在一定的電流水平，即飽和電流下，電感也隨著(zhù)溫度的升高而減小。此外，我們需要考慮的是，許多執行器（如繼電器）由于機械故障而改變其核心的形態(tài)開(kāi)關(guān)，即改變磁芯的磁導率（μ），從而產(chǎn)生電感。不幸的是，執行機構的失效或異常行為不能輕易排除。由于這個(gè)原因，電感對電流的依賴(lài)性很難包含在方程式中。重要的是要知道，負載的實(shí)際鉗位能量將受到這種效應的嚴重影響。
4 總結
本文描述了英飛凌智能高邊開(kāi)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量方法，提出了鉗位能量的計算公式。通過(guò)實(shí)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(shí)用的方法，根據感性電感、電阻參數以及溫度、供電電壓等參數，在實(shí)際應用過(guò)程中，可以結合公式（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(lái)穩定驅動(dòng)對應負載，保證系統的長(cháng)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(chē)洪 煒、薛洋、張久慶聯(lián)合撰寫(xiě)，并發(fā)表于《汽車(chē)實(shí)用技術(shù)》2022年第十一期。
來(lái)源：英飛凌
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