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均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能

發(fā)布時(shí)間:2024-01-30 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在汽車電源管理系統(tǒng)中做分布式智能設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于智能功率開關(guān),確保保護(hù)機(jī)制是否真正實(shí)現(xiàn)了智能至關(guān)重要,尤其是在涉及多通道驅(qū)動(dòng)器的場(chǎng)景中,因?yàn)榧词故禽p微的電流失衡或意外的負(fù)載短路都會(huì)影響保護(hù)效果。


在汽車電源管理系統(tǒng)中做分布式智能設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于智能功率開關(guān),確保保護(hù)機(jī)制是否真正實(shí)現(xiàn)了智能至關(guān)重要,尤其是在涉及多通道驅(qū)動(dòng)器的場(chǎng)景中,因?yàn)榧词故禽p微的電流失衡或意外的負(fù)載短路都會(huì)影響保護(hù)效果。


智能驅(qū)動(dòng)器在管理和分配汽車電池包到各種組件(ECU、電機(jī)、車燈、傳感器等)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,這些多通道驅(qū)動(dòng)器同時(shí)控制不同的電氣負(fù)載,例如,電阻式執(zhí)行器、電感式執(zhí)行器和電容式執(zhí)行器。所有通道的電流都保持均衡對(duì)于驅(qū)動(dòng)器正常運(yùn)行并確保車輛正常且高效地運(yùn)行至關(guān)重要。在電路布局中,任何造成電流通過特定金屬路徑集中的輕微電流失衡、負(fù)載損壞或失效以及接線不當(dāng)?shù)纫馔馇闆r,都可能導(dǎo)致局部電路出現(xiàn)電流聚集效應(yīng)。電流失衡現(xiàn)象將會(huì)導(dǎo)致芯片過熱和熱點(diǎn)聚集,最終損壞或燒毀元件。


雖然做了熱模擬實(shí)驗(yàn)和預(yù)防措施,但仍需檢查和驗(yàn)證智能保護(hù)機(jī)制的實(shí)現(xiàn)情況,這有助于發(fā)現(xiàn)可能影響干預(yù)時(shí)效的潛在問題。


智能開關(guān)中的熱檢測(cè)


高邊開關(guān)需要在空間非常小的緊湊封裝內(nèi)處理大電流,對(duì)于能否高效地管理熱量,電流均衡是一個(gè)重要的影響因素。智能功率開關(guān)通常安裝在通風(fēng)和散熱不良的封閉區(qū)域,這使得熱管理變得更加重要。


因此,保護(hù)機(jī)制的智能性能取決于嵌入式熱診斷功能,這些基于熱檢測(cè)和保護(hù)機(jī)制的診斷功能用于監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)器的溫度,并在溫度超過預(yù)設(shè)閾值時(shí)執(zhí)行保護(hù)操作。準(zhǔn)確度是測(cè)溫技術(shù)面臨的一個(gè)難題,因?yàn)槎嗤ǖ莉?qū)動(dòng)器的電流均衡度對(duì)測(cè)溫準(zhǔn)確度影響很大。


局部電流密度突然變高或短路情況是設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的一個(gè)問題,這兩種現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生分散的熱點(diǎn),導(dǎo)致突發(fā)性的熱聚集效應(yīng),使溫度驟然升高。這些情況可能導(dǎo)致過熱和元器件失效,而且維修成本高昂。


為了防止熱沖擊損壞元器件,保護(hù)電路被設(shè)計(jì)為限制電流并使功率MOSFET保持在安全工作區(qū)域(SOA)內(nèi),直到觸發(fā)熱關(guān)閉功能,關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器。然而,這種類型的保護(hù)可能會(huì)在功率器件表面產(chǎn)生物理應(yīng)力。為滿足電浪要求和工藝容差,限流值需要設(shè)置得較高,但是,當(dāng)驅(qū)動(dòng)短路負(fù)載時(shí),較高的限流值會(huì)導(dǎo)致芯片表面的溫度快速上升。溫度驟變會(huì)在芯片表面產(chǎn)生巨大的熱梯度,從而產(chǎn)生熱機(jī)械應(yīng)力,影響器件的可靠性。


VIPower M0-9的解決方案是在高邊驅(qū)動(dòng)器低溫區(qū)和高溫區(qū)分別集成一個(gè)溫度傳感器(如圖1所示)。


均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能 

 圖 1 :具有不同溫度傳感器的智能開關(guān)的原理圖

 

溫度傳感器采用多晶硅二極管制造技術(shù),因?yàn)槎嗑Ч瓒O管的溫度系數(shù)在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)保持很好的線性。低溫傳感器置于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部靠近控制器側(cè)的低溫區(qū),而高溫傳感器則位于功率級(jí)區(qū)域,這是驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度最高的區(qū)域。

這種雙傳感器技術(shù)可以限制驅(qū)動(dòng)器的溫度升幅,因?yàn)楫?dāng)溫度達(dá)到過溫閾值,或者兩個(gè)傳感器動(dòng)態(tài)溫度差值達(dá)到閾值,熱保護(hù)就會(huì)觸發(fā)。一旦過熱故障消失,當(dāng)溫度降低到恢復(fù)值時(shí),智能開關(guān)重新激活。

這個(gè)方法有助于減少開關(guān)上的熱機(jī)械應(yīng)力引起的熱疲勞。熱機(jī)械應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的推移而變大,導(dǎo)致開關(guān)性能和可靠性降低。

 

熱測(cè)圖

 

除了熱模擬實(shí)驗(yàn)和預(yù)防方法,紅外(IR)熱成像技術(shù)也是一種獲取驅(qū)動(dòng)器熱測(cè)圖的有效技術(shù),可以讓設(shè)計(jì)人員全面了解集成電路內(nèi)的熱量分布,揭示所有潛在的危險(xiǎn)因素。

 

為了評(píng)估智能保護(hù)電路在惡劣的車用環(huán)境中的保護(hù)效果,必須在兩種不同的應(yīng)用場(chǎng)景和惡劣的短路條件下分析驅(qū)動(dòng)器內(nèi)的熱量分布:

· 端子短路(TSC)

· 負(fù)載短路(LSC)

 

端子短路是當(dāng)元器件或設(shè)備的端子之間存在低電阻連接的情況,如圖2所示。

 

均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能 

圖2:在 TSC條件下的溫度測(cè)量測(cè)試電路

 

另一方面,當(dāng)負(fù)載和電源之間存在感應(yīng)路徑時(shí),就會(huì)出現(xiàn)負(fù)載短路情況,導(dǎo)致電流突然激增(圖3)。


均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能 

圖3:在 LSC條件下的溫度測(cè)量測(cè)試電路

 

測(cè)試條件如下:

· Tamb = 25 °C

· Vbat = 14 V

· 當(dāng)熱成像時(shí),Ton = 1 ms

· 當(dāng)捕捉熱傳感器和熱點(diǎn)的溫度時(shí),Ton = 300 ms

· TSC條件: RSUPPLY = 10 mΩ, RSHORT = 10 mΩ

· LSC 條件: RSUPPLY = 10 mΩ, LSHORT = 5 μH, RSHORT = 100 mΩ

 

其中,

Tamb是環(huán)境溫度

Vbat直流電池電壓

Ton是短路時(shí)長

RSUPPLY是電池內(nèi)阻

RSHORT是短路電阻

LSHORT是短路電感

 

為了生成熱測(cè)圖,我們使用了紅外攝像機(jī)捕捉每個(gè)位置輻射的紅外線,然后將其轉(zhuǎn)換成溫度值。為了確保特定顏色轉(zhuǎn)換為正確的溫度值,校準(zhǔn)是一個(gè)必不可少的重要過程。該過程是比較傳感器拍攝的不同顏色與已知溫度值,分析特定的熱敏參數(shù)及其隨溫度升高的趨勢(shì)。通過分析這些參數(shù),校準(zhǔn)過程可以確保熱圖準(zhǔn)確地反映被掃描區(qū)域的溫度分布。

 

為了校準(zhǔn)紅外攝像傳感器,選用 MOSFET 體漏極二極管的正向電壓 (VF),因?yàn)樗c溫度呈線性關(guān)系。然而,需要對(duì)二極管進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)才能準(zhǔn)確的確定其溫度系數(shù)。在 25°C 至 100°C 范圍內(nèi)改變溫度的同時(shí),測(cè)量恒定正向電流 (IF)的電壓VF,即可確定二極管的溫度系數(shù)。為防止電流及其相關(guān)功耗引起溫升,IF 取值應(yīng)在 10mA 至 20mA 范圍內(nèi)。

 

用在不同溫度條件下采集的VF值進(jìn)行線性插值和數(shù)學(xué)擬合計(jì)算,得到二極管的溫度系數(shù),如圖4所示。


均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能 

圖4 :MOSFET體漏極二極管的預(yù)校準(zhǔn)

 

用下列公式計(jì)算 (1):


 均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能

 

其中:

 Dt是溫度變化量;

 DVF是正向電壓變化;

K 是二極管的溫度系數(shù)。

 

要?jiǎng)?chuàng)建熱圖,先用紅外成像傳感器以 1ms 的間隔拍攝每個(gè)溫度點(diǎn)。在拍攝完芯片上的所有點(diǎn)位后(大約需要 3000 秒),專用軟件就會(huì)生成熱圖,根據(jù)紅外傳感器的最小空間分辨率描繪每個(gè)點(diǎn)位的溫度。把熱圖放到芯片行圖上面,就可以識(shí)別工作區(qū)域中最熱的熱點(diǎn),當(dāng)電流流過器件時(shí),就可以確定這些熱點(diǎn)的坐標(biāo)。

 

圖 5 所示是VND9012AJ 雙通道智能開關(guān)在 TSC 條件下的熱圖。

 

均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能 

圖 5:VND9012AJ 通道在 TSC 條件下的熱圖

 

熱測(cè)圖法是在25°C 到150°C 溫度范圍內(nèi)利用不同顏色描述驅(qū)動(dòng)器各個(gè)通道的溫度分布情況,這是一個(gè)檢測(cè)任何過熱區(qū)域、確保驅(qū)動(dòng)器在安全溫度內(nèi)工作的重要方法。通過提供每個(gè)通道在不同工況下的熱圖,熱圖測(cè)試法可以驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)器的工作可靠性,而無需將溫度提高到最大閾值。

 

為了找到熱點(diǎn)并監(jiān)測(cè)高溫傳感器和低溫傳感器的溫度變化,驗(yàn)證熱關(guān)斷機(jī)制的效果,在實(shí)驗(yàn)中必須考慮把短路時(shí)長延長到300ms。

 

圖 6 所示是在TSC 時(shí)觀察到的VND9012AJ的溫度變化。

 

均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能 

圖 6:兩個(gè)傳感器在 TSC 條件下的溫度變化

 

上圖表明,高溫傳感器檢測(cè)到 VND9012AJ 的兩個(gè)通道中都存在熱點(diǎn),這些熱點(diǎn)的最高溫度在 150 °C 范圍內(nèi)。

 

圖 7 所示是VND9012AJ 在 LSC 條件下的熱圖。

 

 均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能

圖 7:VND9012AJ 通道在LSC 條件下的熱圖

 

圖 8所示是在LSC 條件下觀察到的VND9012AJ的溫度變化。

 

均衡電流,實(shí)現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動(dòng)器的最佳性能 

圖 8:兩個(gè)傳感器在 LSC 條件下的溫度變化

 

這兩種情況都會(huì)觸發(fā)熱保護(hù)機(jī)制,把電流限制在安全水平。

 

結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果讓我們能夠深入洞悉智能開關(guān)的設(shè)計(jì)和開關(guān)操作特性,特別是電流分布和熱保護(hù)機(jī)制,為我們提供寶貴的數(shù)據(jù)。確保所有通道的電流都保持均衡,對(duì)于提高汽車智能功率驅(qū)動(dòng)器的安全性和可靠性至關(guān)重要。紅外熱成像技術(shù)可以精確、全面的分析溫度分布情況,增強(qiáng)智能開關(guān)的熱感測(cè)和保護(hù)系統(tǒng)的性能。在要求苛刻的汽車環(huán)境中,快速激活這些保護(hù)功能對(duì)檢測(cè)過熱現(xiàn)象、防止設(shè)備或系統(tǒng)損壞至關(guān)重要。

 

參考文獻(xiàn)

 

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[3] T. Israel, M. Gatzsche, S. Schlegel, S. Gro?mann, T. Kufner, G. Freudiger, "The impact of short circuits on contact elements in high power applications", IEEE Holm Conference on Electrical Contacts, 2017.

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[5] M. Bonarrigo, G. Gambino, F. Scrimizzi, "Intelligent power switches augment vehicle performance and comfort", Power Electronics News, Oct. 10, 2023.

(來源:意法半導(dǎo)體, 卡塔尼亞, 意大利,作者:by Giusy Gambino, Marcello Vecchio, Filippo Scrimizzi)


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