【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(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(wèn)題。
智能開(kāi)關(guān)中的熱檢測(cè)
高邊開(kāi)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(kāi)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(guò)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(wèn)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(guò)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）。
圖 1 ：具有不同溫度傳感器的智能開(kāi)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(guò)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(guò)熱故障消失，當(dāng)溫度降低到恢復(fù)值時(shí)，智能開(kāi)關(guān)重新激活。
這個(gè)方法有助于減少開(kāi)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(kāi)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。
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）。
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(zhǎng)
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(guò)程。該過(guò)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(guò)分析這些參數(shù)，校準(zhǔn)過(guò)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。
圖4 ：MOSFET體漏極二極管的預(yù)校準(zhǔn)
用下列公式計(jì)算 (1)：
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(guò)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(kāi)關(guān)在 TSC 條件下的熱圖。
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(guò)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(guò)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(wú)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(zhǎng)延長(zhǎng)到300ms。
圖 6 所示是在TSC 時(shí)觀察到的VND9012AJ的溫度變化。
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。
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。
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(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)和開(kāi)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(kāi)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(guò)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)
[1] P. Meckler and F. Gerdinand, "High-speed thermography of fast dynamic processes on electronic switching devices", 26th International Conference on Electrical Contacts (ICEC 2012), 2012.
[2] X. Zhou and T. Schoepf, "Detection and formation process of overheated electrical joints due to faulty connections", 26th International Conference on Electrical Contacts (ICEC 2012), 2012.
[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.
[4] Y. Lozanov, "Assessment of the technical condition of electric contact joints using thermography", 17th Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA), 2021.
[5] M. Bonarrigo, G. Gambino, F. Scrimizzi, "Intelligent power switches augment vehicle performance and comfort", Power Electronics News, Oct. 10, 2023.
（來(lái)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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