【導讀】隨著汽車電子技術的發展，輕量化與智能化的需求也帶動了英飛淩智能功率器件 (IPD)在車身負載驅動的大規模應用。對於感量較大的負載，如雨刮、鼓風機、風扇
、jidianqideng

，xuyaokaolvfuzaiguanduanshichanshengdenengliangduixitongdechongji
，tongshiqudongqijianbunengbeigainengliangjichuan。benwentigonglepingguceliangganxingnengliangdefangfahegongju，zaiyigemingquedingyideyingyongchangjingzhong
，shunjianguanduanshidechanshengdeqianweinengliang（E_CL）
，與高壓側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動大電流
、大感量執行器的能力

，在變速箱控製模塊（TCU）應用中，常用的執行器如電機、電磁閥（淨化
、進氣）等
；在車身控製模塊（BCM）中，常用的執行器如雨刮
、繼電器或風機、水泵


、油泵也同樣表現為感性特點。驅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顯示)。

圖 1 高邊控製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（I_L）和電感（L）有關，如下所示：

在開關斷開之後
，負載電流將降至零，之前存儲的能量加上V_BAT產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（R_L）
；當能量較大時
，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，工程上可以實施不同的技術以減少這種施加到IPD內部的耗散能量，如通過使用續流二極管或RC並聯支路等。但是
，以上方法除了增加成本與係統複雜程度之外
，還會延長執行器的關閉時間（t_F）。

在某些應用場合下，例如：噴油器驅動、PWM控製閥等
，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（V_CL）越高，其關閉時間t_F將越短。並且
，能量在箝位期間耗散到IPD內置TVS中，稱之為箝位能量（E_CL），對於大功率應用場景中
，通常都具備更多能量衝擊，會在器件矽中產生重複的熱應力，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

pinggushijifuzaitexingbinghuodegaobiankaiguanzhonghaosandeqianweinengliangzhidezuijiafangfashitongguoshijiceliangdedao。dangran，chulebaozhengceliangyiqidejingzhun
，jinkenengduodizaixianzhixingqidecaozuotiaojianshihenzhongyaode，zheyanggengnengtiejinshijiyingyongzhongqingkuang。rutu2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行測量。

圖 2

電感儲存能量公式為：

鉗位能量表示為：

其中V_D和I_L分別是開關電壓和負載電流
，t_F是負載電流關閉後歸零需要的時間。

1）通過LCR測量確定的標稱值

2）器件特性通過英飛淩官方數據手冊獲得

現在我們來看一個真實的例子：利用時下常見的數字示波器的數學函數，很容易得到被測V_D
、I_L及其積分的乘積，如圖3所示。

圖3  E_CL測量（R_L=0.53Ω，L_L=206uH，V_BAT=12V，T_A=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在關斷時間內的積分。

結果如下：

–V_CL=38.2V

–I_L=11.3A

–t_F=92微秒

–E_CL=6.51mJ

工程應用中
，通常直接將電流等效成線性函數進行近似求解，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於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時兩種狀態
，其等效電路如圖4所示。

ON狀態時，負載IL電流如公式（1）：

τ_R是電感電流上升的時間常數

I_LIM是IPD器件本身的限製電流，t_ON是執行器的開啟持續時間。等式（4）除了包括開關電流保護的可能幹預之外，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i_L（0）=I_L為初始條件求解方程（5），得到電感電流的動態方程。

對一階線性齊次微分方程求通解，電感電流按指數規律衰減，衰減的快慢取決於電感自身機電常數τ。V_BAT-V_Clamp=0，待求解微分方程如下：

提取特征方程為

求得特征解為

然後再求得通解為

得到通解
，也就是暫態分量，繼續求特解，也即穩態解。

2.2.2 非齊次微分方程求解

動態電流方程為

三要素法

，恒定激勵下一階微分方程的解的一般形式為

據此求得電流的動態方程表示為：

令i(t) = 0；進而可得：

電感電流的歸零時間t_F 詳細求解如下所示：

最終求得t_F準確的表達式為：

器件的鉗位電壓V_CL
，電流動態實時值，以及電流的歸零時間已經精確求得
，這樣我們就可以求解能量E_CL，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)，電流呈現指數衰減（感性負載特性），off 階段的持續時間t_F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，可得最後的能量值

正常情況下，基於公式（9），可以得到感性負載關斷時的鉗位能量
，並基於此量化數據去評估並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

鑒於感性負載的機電參數與溫度息息相關，也即任何金屬的導電性通常都會受到溫度的影響

，從而產生R和T之間的關係。如下式：

式中，α是材料之間變化的係數，對於銅
，α_cu=0.0039 K^-1。對於典型的汽車溫度應用範圍[-50°C，150°C]
，結合以上公式
，在全溫度範圍必然會產生不同的電阻值。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gou成cheng線xian圈quan磁ci芯xin的de鐵tie磁ci性xing材cai料liao表biao現xian出chu對dui磁ci場chang的de依yi賴lai性xing。因yin此ci
，線xian圈quan的de電dian感gan量liang與yu流liu過guo線xian圈quan的de電dian流liu有you依yi賴lai關guan係xi。一yi般ban來lai說shuo


，在zai一yi定ding的de電dian流liu水shui平ping，即ji飽bao和he電dian流liu下xia，電dian感gan也ye隨sui著zhe溫wen度du的de升sheng高gao而er減jian小xiao。此ci外wai，我wo們men需xu要yao考kao慮lv的de是shi

，許xu多duo執zhi行xing器qi（如繼電器）由於機械故障而改變其核心的形態開關，即改變磁芯的磁導率（μ），從cong而er產chan生sheng電dian感gan。不bu幸xing的de是shi，執zhi行xing機ji構gou的de失shi效xiao或huo異yi常chang行xing為wei不bu能neng輕qing易yi排pai除chu。由you於yu這zhe個ge原yuan因yin
，電dian感gan對dui電dian流liu的de依yi賴lai性xing很hen難nan包bao含han在zai方fang程cheng式shi中zhong。重zhong要yao的de是shi要yao知zhi道dao，負fu載zai的de實shi際ji鉗qian位wei能neng量liang將jiang受shou到dao這zhe種zhong效xiao應ying的de嚴yan重zhong影ying響xiang。

4 總結

本(ben)文(wen)描(miao)述(shu)了(le)英(ying)飛(fei)淩(ling)智(zhi)能(neng)高(gao)邊(bian)開(kai)關(guan)關(guan)斷(duan)感(gan)性(xing)器(qi)件(jian)時(shi)發(fa)生(sheng)的(de)鉗(qian)位(wei)事(shi)件(jian)
，闡(chan)述(shu)了(le)鉗(qian)位(wei)能(neng)量(liang)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)法(fa)
，提(ti)出(chu)了(le)鉗(qian)位(wei)能(neng)量(liang)的(de)計(ji)算(suan)公(gong)式(shi)。通(tong)過(guo)實(shi)測(ce)值(zhi)與(yu)計(ji)算(suan)值(zhi)的(de)比(bi)較(jiao)，指(zhi)出(chu)了(le)由(you)於(yu)荷(he)載(zai)的(de)非(fei)理(li)想(xiang)性(xing)而(er)引(yin)起(qi)的(de)偏(pian)差(cha)。這(zhe)是(shi)一(yi)種(zhong)實(shi)用(yong)的(de)方(fang)法(fa)
，根(gen)據(ju)感(gan)性(xing)電(dian)感(gan)、電阻參數以及溫度
、供電電壓等參數
，在實際應用過程中
，可以結合公式（9）去準確計算鉗位能量，從而去最優化的選擇英飛淩IPD器件來穩定驅動對應負載
，保證係統的長期可靠性。

參考文獻

[1] 英飛淩科技——PROFET™+2 12V Grade1 High-side switch portfolio. 英飛淩官網，2020

[2] 胡壽鬆——自動控製原理[M]. 科學出版社,2002

[3] 王楚，餘道衡．電路分析．北京：北京大學出版社
，2000

[4] 邱關源，羅先覺——電路[M]. 北京：高等教育出版社,2006

本文由英飛淩任寶棟
，與聯合電子汽車洪 煒
、薛洋
、張久慶聯合撰寫，並發表於《汽車實用技術》2022年第十一期。

來源：英飛淩 

免責聲明：本文為轉載文章
，轉載此文目的在於傳遞更多信息，版權歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請聯係小編進行處理。

推薦閱讀：

為車載網絡保駕護航

由原電池供電的遠程患者監護儀的電源設計要素

SiC模塊開啟電機驅動器更高功率密度

提升RF功率放大器的脈衝保真度

可調軟啟動時間的小尺寸電子保險絲-SGM2533/SGM2534