均衡電流，實現(xiàn)車規(guī)智能驅(qū)動器的最佳性能

在汽車電源管理系統(tǒng)中做分布式智能設(shè)計時，對于智能功率開關(guān)，確保保護機制是否真正實現(xiàn)了智能至關(guān)重要，尤其是在涉及多通道驅(qū)動器的場景中，因為即使是輕微的電流失衡或意外的負(fù)載短路都會影響保護效果。

智能驅(qū)動器在管理和分配汽車電池包到各種組件（ECU、電機、車燈、傳感器等）方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這些多通道驅(qū)動器同時控制不同的電氣負(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于驅(qū)動器正常運行并確保車輛正常且高效地運行至關(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)象將會導(dǎo)致芯片過熱和熱點聚集，最終損壞或燒毀元件。

雖然做了熱模擬實驗和預(yù)防措施，但仍需檢查和驗證智能保護機制的實現(xiàn)情況，這有助于發(fā)現(xiàn)可能影響干預(yù)時效的潛在問題。

智能開關(guān)中的熱檢測

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，對于能否高效地管理熱量，電流均衡是一個重要的影響因素。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，保護機制的智能性能取決于嵌入式熱診斷功能，這些基于熱檢測和保護機制的診斷功能用于監(jiān)測驅(qū)動器的溫度，并在溫度超過預(yù)設(shè)閾值時執(zhí)行保護操作。準(zhǔn)確度是測溫技術(shù)面臨的一個難題，因為多通道驅(qū)動器的電流均衡度對測溫準(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)計人員非常關(guān)心的一個問題，這兩種現(xiàn)象會產(chǎn)生分散的熱點，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，保護電路被設(shè)計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)動器。然而，這種類型的保護可能會在功率器件表面產(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)動短路負(fù)載時，較高的限流值會導(dǎo)致芯片表面的溫度快速上升。溫度驟變會在芯片表面產(chǎn)生巨大的熱梯度，從而產(chǎn)生熱機械應(yīng)力，影響器件的可靠性。

VIPower M0-9的解決方案是在高邊驅(qū)動器低溫區(qū)和高溫區(qū)分別集成一個溫度傳感器（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)，因為多晶硅二極管的溫度系數(shù)在整個工作溫度范圍內(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區(qū)域，這是驅(qū)動器內(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)動器的溫度升幅，因為當(dāng)溫度達到過溫閾值，或者兩個傳感器動態(tài)溫度差值達到閾值，熱保護就會觸發(fā)。一旦過熱故障消失，當(dāng)溫度降低到恢復(fù)值時，智能開關(guān)重新激活。

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

熱測圖

除了熱模擬實驗和預(yù)防方法，紅外（IR）熱成像技術(shù)也是一種獲取驅(qū)動器熱測圖的有效技術(shù)，可以讓設(shè)計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因素。

為了評估智能保護電路在惡劣的車用環(huán)境中的保護效果，必須在兩種不同的應(yīng)用場景和惡劣的短路條件下分析驅(qū)動器內(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條件下的溫度測量測試電路

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

圖3：在 LSC條件下的溫度測量測試電路

測試條件如下：

?Tamb = 25 °C

?Vbat = 14 V

?當(dāng)熱成像時，Ton = 1 ms

?當(dāng)捕捉熱傳感器和熱點的溫度時，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

為了生成熱測圖，我們使用了紅外攝像機捕捉每個位置輻射的紅外線，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。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)，因為它與溫度呈線性關(guān)系。然而，需要對二極管進行預(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，測量恒定正向電流 (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值進行線性插值和數(shù)學(xué)擬合計算，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)。

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

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

圖 5：VND9012AJ 通道在 TSC 條件下的熱圖

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

為了找到熱點并監(jiān)測高溫傳感器和低溫傳感器的溫度變化，驗證熱關(guān)斷機制的效果，在實驗中必須考慮把短路時長延長到300ms。

圖 6 所示是在TSC 時觀察到的VND9012AJ的溫度變化。

圖 6：兩個傳感器在 TSC 條件下的溫度變化

上圖表明，高溫傳感器檢測到 VND9012AJ 的兩個通道中都存在熱點，這些熱點的最高溫度在 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 8：兩個傳感器在LSC 條件下的溫度變化

這兩種情況都會觸發(fā)熱保護機制，把電流限制在安全水平。

結(jié)論

實驗結(jié)果讓我們能夠深入洞悉智能開關(guān)的設(shè)計和開關(guān)操作特性，特別是電流分布和熱保護機制，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，對于提高汽車智能功率驅(qū)動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，增強智能開關(guān)的熱感測和保護系統(tǒng)的性能。在要求苛刻的汽車環(huán)境中，快速激活這些保護功能對檢測過熱現(xiàn)象、防止設(shè)備或系統(tǒng)損壞至關(guān)重要。

參考文獻

[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.