均衡電流，實現車規智能驅動器的最佳性能
2024-01-30
作者：by Giusy Gambino, Marcello Vecchio, Filippo Scrimizzi 意法半導體， 卡塔尼亞， 意大利
來源：意法半導體
在汽車電源管理系統中做分布式智能設計時，對于智能功率開關，確保保護機制是否真正實現了智能至關重要，尤其是在涉及多通道驅動器的場景中，因為即使是輕微的電流失衡或意外的負載短路都會影響保護效果。
智能驅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）方面發揮著關鍵作用，這些多通道驅動器同時控制不同的電氣負載，例如，電阻式執行器、電感式執行器和電容式執行器。所有通道的電流都保持均衡對于驅動器正常運行并確保車輛正常且高效地運行至關重要。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、負載損壞或失效以及接線不當等意外情況，都可能導致局部電路出現電流聚集效應。電流失衡現象將會導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防措施，但仍需檢查和驗證智能保護機制的實現情況，這有助于發現可能影響干預時效的潛在問題。
智能開關中的熱檢測
高邊開關需要在空間非常小的緊湊封裝內處理大電流，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。智能功率開關通常安裝在通風和散熱不良的封閉區域，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測驅動器的溫度，并在溫度超過預設閾值時執行保護操作。準確度是測溫技術面臨的一個難題，因為多通道驅動器的電流均衡度對測溫準確度影響很大。
局部電流密度突然變高或短路情況是設計人員非常關心的一個問題，這兩種現象會產生分散的熱點，導致突發性的熱聚集效應，使溫度驟然升高。這些情況可能導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，保護電路被設計為限制電流并使功率MOSFET保持在安全工作區域（SOA）內，直到觸發熱關閉功能，關閉驅動器。然而，這種類型的保護可能會在功率器件表面產生物理應力。為滿足電浪要求和工藝容差，限流值需要設置得較高，但是，當驅動短路負載時，較高的限流值會導致芯片表面的溫度快速上升。溫度驟變會在芯片表面產生巨大的熱梯度，從而產生熱機械應力，影響器件的可靠性。
VIPower M0-9的解決方案是在高邊驅動器低溫區和高溫區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的原理圖
溫度傳感器采用多晶硅二極管制造技術，因為多晶硅二極管的溫度系數在整個工作溫度范圍內保持很好的線性。低溫傳感器置于驅動器內部靠近控制器側的低溫區，而高溫傳感器則位于功率級區域，這是驅動器內部溫度最高的區域。
這種雙傳感器技術可以限制驅動器的溫度升幅，因為當溫度達到過溫閾值，或者兩個傳感器動態溫度差值達到閾值，熱保護就會觸發。一旦過熱故障消失，當溫度降低到恢復值時，智能開關重新激活。
這個方法有助于減少開關上的熱機械應力引起的熱疲勞。熱機械應力會隨著時間的推移而變大，導致開關性能和可靠性降低。
熱測圖
除了熱模擬實驗和預防方法，紅外（IR）熱成像技術也是一種獲取驅動器熱測圖的有效技術，可以讓設計人員全面了解集成電路內的熱量分布，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境中的保護效果，必須在兩種不同的應用場景和惡劣的短路條件下分析驅動器內的熱量分布：
·端子短路（TSC）
·負載短路（LSC）
端子短路是當元器件或設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，當負載和電源之間存在感應路徑時，就會出現負載短路情況，導致電流突然激增（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
·當熱成像時，Ton = 1 ms
·當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是環境溫度
Vbat直流電池電壓
Ton是短路時長
RSUPPLY是電池內阻
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，然后將其轉換成溫度值。為了確保特定顏色轉換為正確的溫度值，校準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及其隨溫度升高的趨勢。通過分析這些參數，校準過程可以確保熱圖準確地反映被掃描區域的溫度分布。
為了校準紅外攝像傳感器，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系。然而，需要對二極管進行預校準才能準確的確定其溫度系數。在 25°C 至 100°C 范圍內改變溫度的同時，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。為防止電流及其相關功耗引起溫升，IF 取值應在 10mA 至 20mA 范圍內。
用在不同溫度條件下采集的VF值進行線性插值和數學擬合計算，得到二極管的溫度系數，如圖4所示。
圖4 ：MOSFET體漏極二極管的預校準
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。
要創建熱圖，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，就可以識別工作區域中最熱的熱點，當電流流過器件時，就可以確定這些熱點的坐標。
圖 5 所示是VND9012AJ 雙通道智能開關在 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 溫度范圍內利用不同顏色描述驅動器各個通道的溫度分布情況，這是一個檢測任何過熱區域、確保驅動器在安全溫度內工作的重要方法。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。
為了找到熱點并監測高溫傳感器和低溫傳感器的溫度變化，驗證熱關斷機制的效果，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。
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熱保護機制，把電流限制在安全水平。
結論
實驗結果讓我們能夠深入洞悉智能開關的設計和開關操作特性，特別是電流分布和熱保護機制，為我們提供寶貴的數據。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動器的安全性和可靠性至關重要。紅外熱成像技術可以精確、全面的分析溫度分布情況，增強智能開關的熱感測和保護系統的性能。在要求苛刻的汽車環境中，快速激活這些保護功能對檢測過熱現象、防止設備或系統損壞至關重要。
參考文獻
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