任國峰,田 豐,楊 林

(上海交通大學(xué) 汽車電子技術(shù)研究所,上海 200240)

當(dāng)今汽車對安全、節(jié)能環(huán)保以及舒適性、操縱穩(wěn)定性等功能的要求越來越高，使得迅速發(fā)展的電子技術(shù)在汽車領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的機械控制系統(tǒng)逐漸被電子控制系統(tǒng)所取代，從發(fā)動機控制系統(tǒng)、動力傳動總成控制到車身和底盤控制等[1-2].而功率MOSFET管，作為汽車中最重要的功率整流控制器件在汽車ECU內(nèi)廣泛應(yīng)用.據(jù)統(tǒng)計，汽車上有60%的功率流動控制都是通過MOSFET管來實現(xiàn)的[3].而MOSFET管在工作時會因為它的導(dǎo)通和開關(guān)而消耗一定的功率，消耗的功率會轉(zhuǎn)化成熱，從而造成了MOSFET管的工作溫度升高.在較高的溫度下，這些器件的可靠性會降低，工作壽命也會縮短.據(jù)美國汽車工程師協(xié)會SAE調(diào)查研究[4]，在所有引起汽車發(fā)動機ECU失效的因素當(dāng)中，有40%是由于工作溫度過高而引起的.

工作于穩(wěn)態(tài)條件下的MOSFET管的溫升ΔT可以通過穩(wěn)態(tài)熱阻公式ΔT=P×Rth計算，但是ECU內(nèi)的功率管大多都工作在PWM開關(guān)脈寬調(diào)制狀態(tài)下，在開關(guān)脈沖功率作用于功率器件時，由于器件自身存在的熱容，器件的結(jié)點溫度并不會瞬時升高到峰值溫度，采用上式計算峰值節(jié)點工作溫度，會過高預(yù)測其峰值溫度.所以在發(fā)動機ECU設(shè)計開發(fā)過程中，如果能在硬件設(shè)計制作之前就對功率器件的峰值節(jié)點工作溫度作出精確預(yù)測，確保其峰值節(jié)點溫度不會超過器件允許的最高安全工作溫度限值，對于提高ECU工作的穩(wěn)定性和可靠性，縮短設(shè)計周期，降低設(shè)計成本都將具有非常重要的意義.

本文針對電控柴油機控制器ECU中的功率MOSFET管提出了一個溫度預(yù)測簡化模型，模型可以根據(jù)從器件手冊很容易獲取的一些基本參數(shù)對器件節(jié)點的峰值工作溫度快速做出精準(zhǔn)預(yù)測，并通過試驗驗證了模型的預(yù)測精度.

1 溫度預(yù)測模型

溫度預(yù)測模型主要由兩部分組成，分別是功率管的功耗模型和瞬態(tài)熱阻模型，并基于“疊加”原理計算工作于PWM開關(guān)脈寬調(diào)制方式下的功率管峰值節(jié)點溫升.

1.1 瞬態(tài)熱阻模型

獲取功率管的瞬態(tài)熱阻最實用的方式就是測量功率管在脈沖功率激勵下的熱響應(yīng).幸運的是，幾乎每個功率器件生產(chǎn)商都會在其使用手冊上給出瞬態(tài)熱阻響應(yīng)曲線圖，如圖1所示的就是恩智浦(NXP)半導(dǎo)體生產(chǎn)的BUK9675-100A型功率管的瞬態(tài)熱阻響應(yīng)曲線簇[5].瞬態(tài)熱阻可以表示為：

(1)

式中Rthj-mb代表穩(wěn)態(tài)熱阻，可以直接從圖上讀取，或：

(2)

從式(1)可以看出，確定瞬態(tài)熱阻就是確定時間常數(shù)τth，這可以通過對微分ΔZth/Δt求極限獲得：

(3)

在不同脈沖寬度tp和不同占空比δ下的瞬態(tài)熱阻可表示為：

Zth(t,δ)=δ×Rth+(1-δ)×

(4)

圖1 瞬態(tài)熱阻響應(yīng)曲線簇

1.2 功率管的功耗模型

功率管的功率損耗主要由兩部分組成，在打開和關(guān)閉功率MOSFET管時，管自身會消耗一定的功率，稱為開關(guān)損耗；在MOSFET管導(dǎo)通時，自身通過大電流，因為功率管的導(dǎo)電溝道有一定的導(dǎo)通電阻，這些電阻會消耗一定的功率，稱為阻性損耗(亦稱跨導(dǎo)損耗)；這兩部分功率損耗是MOSFET管功率損耗的主要組成部分，這部分功率損耗會以熱的形式釋放出來，造成器件的工作溫度升高.

Ptotal=Presistive+Pswitch

(5)

一個經(jīng)典的功率管分段線性功耗模型[6-7]因為其簡單易用且在估算功率管功耗時表現(xiàn)出的優(yōu)異性能而獲得了廣泛的應(yīng)用.MOSFET管的等效驅(qū)動電路如圖2所示．功耗模型把功率管的打開和關(guān)閉波形作分段線性處理，如圖3所示.

當(dāng)驅(qū)動信號加到MOSFET管的柵極(Gate)，驅(qū)動電流開始給MOSFET管的門極輸入電容CGS充電(從t0時刻開始)，柵極電壓VGS開始增加達到柵極的閾值電壓VGS(th)，在這段時間內(nèi)MOSFET管內(nèi)沒有形成導(dǎo)電溝道，也就沒有流過電流，因此也就沒有功率損耗Pt1=0.當(dāng)柵極電壓VGS達到閾值電壓VGS(th)時(t1時刻)，這時導(dǎo)電溝道開始形成，輸入電容繼續(xù)充電，漏極電流ID開始隨著柵極電壓的升高而線性增加直到接近輸出負載電流ILOAD(t2時刻)；接下來，進入t3時間段，這時柵極電流全部用來給柵、漏極間電容CDG充電，漏源兩端電壓VDS開始從輸入電壓線性下降到0，負載電流ILOAD全部流過MOSFET管.在t1～t2和t2～t3時間段內(nèi)，MOSFET管漏、源極間承受著最大的跨導(dǎo)電壓VDS和急劇上升的負載電流ILOAD或急劇下降的跨導(dǎo)電壓和最大負載電流，開關(guān)損耗主要發(fā)生在這段時間內(nèi)，關(guān)斷過程亦類似，如圖3中陰影部分所示.

圖2 功率MOSFET管的等效電路

圖3 功率MOSFET管的分段線性功耗模型

(6)

打開和關(guān)閉MOSFET管的時間tsw=t3-t1可以通過下式計算：

(7)

Qgate代表柵極電荷，通過直接從芯片手冊上讀取，Idrive是柵極充電電流，由使用的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)確定.MOSFET管在導(dǎo)通時，其行為就像是一個低阻值的電阻，所以阻性損耗的計算是比較容易的.由歐姆定律可得：

(8)

這樣，在一次開關(guān)過程中，MOSFET管的功耗可以近似表示為：

(9)

1.3 基于疊加原理計算功率管的節(jié)點溫升

當(dāng)一連串的脈沖功率應(yīng)用于功率管時，功率管的最大溫度往往發(fā)生在最后一個脈沖的結(jié)尾處，此時的功率管節(jié)點峰值溫度是前面所有脈沖功率作用的總和.“疊加”原理把此時的節(jié)點溫度看作是所有單個脈沖激勵的綜合響應(yīng)，包括瞬態(tài)熱阻和等效功耗.

ΔT(tn,end)=

(10)

圖4所示是4個功率脈沖作用于功率管時，計算功率管的峰值節(jié)點溫度.

在第4個脈沖結(jié)束處(即t7時刻)的峰值節(jié)點溫升ΔT可以按下式計算：

(11)

2 模型預(yù)測精度試驗驗證

汽車控制器內(nèi)的大多數(shù)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件都工作在PWM開關(guān)狀態(tài)下，提出的模型就比較適合預(yù)測這種情況下的瞬態(tài)峰值節(jié)點溫度.模型選用電控柴油機電磁閥驅(qū)動電路作為一個應(yīng)用案例，來驗證模型對瞬態(tài)溫度的預(yù)測精度.

2.1 試驗方案

現(xiàn)代的電控柴油機普遍采用高速、強力電磁閥來控制燃油噴射.為了實現(xiàn)電磁閥的高速響應(yīng)特性，電控柴油機電磁閥普遍采用高電壓、大電流來驅(qū)動，電控柴油機ECU的電磁閥驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示.電磁閥的驅(qū)動電路普遍采用雙電壓和“提升-保持”型的驅(qū)動電流，如圖6所示．開始時，用高電壓驅(qū)動電磁閥快速打開，達到提升峰值電流(15 A)時還要保持500 μs以保證針閥可靠落座，隨后，為了減小電磁閥發(fā)熱，驅(qū)動電流轉(zhuǎn)為保持電流(5 A)，直到噴油脈寬結(jié)束.為了達到穩(wěn)定的驅(qū)動電流，開關(guān)功率管的PWM調(diào)制方式被廣泛采用，這會導(dǎo)致MOSFET管兩種主要的功耗模式，開關(guān)損耗和阻性損耗.

(a) 4個功率脈沖

(b) 等效的多個激勵脈沖

(c) 單個脈沖激勵下的節(jié)點溫度響應(yīng)

(d) 疊加原理計算峰值節(jié)點溫度Tj

(e) 對應(yīng)不同脈沖下的瞬態(tài)熱阻

圖5 電磁閥驅(qū)動電路拓撲結(jié)構(gòu)

圖6 驅(qū)動電流波形及其等效功耗

MOSFET管的峰值節(jié)點溫度不但和噴油脈寬有關(guān)，還和噴油周期有關(guān).而噴油脈寬和周期又是發(fā)動機轉(zhuǎn)速和加速踏板位置的函數(shù)，他們的關(guān)系如圖7所示，從圖中可以看出，在100%加速踏板位置處(ACCP: Accelerator pedal position)，噴油脈寬最大.在一次噴油過程中，對應(yīng)缸的低邊控制開關(guān)(LS1～LS6)一直打開，所以低邊開關(guān)主要產(chǎn)生阻性損耗，高壓控制開關(guān)HS80V只在提升電流的上升階段打開一段很小的時間，一旦電流達到峰值提升電流，高壓控制開關(guān)就關(guān)閉；而蓄電池控制開關(guān)HS在提升和保持電流階段一直處于PWM調(diào)制狀態(tài)，在PWM調(diào)制時，MOSFET管兩端承受著急劇變化的電壓和電流，產(chǎn)生巨大的功率損耗，并且相對于底邊控制開關(guān)(LS1～LS6，發(fā)動機一個工作循環(huán)內(nèi)開關(guān)一次)，蓄電池控制開關(guān)HS在一個工作循環(huán)內(nèi)要PWM調(diào)制6次.所以，高邊開關(guān)HS是驅(qū)動電路中溫升最高的功率器件，下面的溫升分析都是基于高邊開關(guān)HS進行的.

Engine speed/(r·min-1)

從圖6中的驅(qū)動電流波形來看，在一個噴油脈寬Tpulse內(nèi)，功率管的峰值節(jié)點溫度應(yīng)出現(xiàn)在噴油脈寬結(jié)束時，這段時間內(nèi)，除去電流從0上升到提升峰值電流的時間ton和從提升峰值電流下降到保持電流的時間toff，再除以電流振蕩時的上升時間tr和下降時間tf，就可以算出在一個噴油脈寬內(nèi)等效的脈沖功率個數(shù)n.

(12)

(13)

(14)

(15)

式中Ith代表提升和保持階段的電流峰值限值，ΔI代表電流振蕩幅度.從而在一個噴油脈寬Tpulse內(nèi)，功率管開關(guān)次數(shù)n可以表示為：

(16)

模型需要的輸入?yún)?shù)如表1所示.

表1 溫度預(yù)測模型的輸入?yún)?shù)

在實際測量MOSFET管的節(jié)點溫度時，不可能把一個溫度計放置到MOSFET管的節(jié)點位置處，測量MOSFET管的節(jié)點溫度一般都是通過測量管子的一個溫度敏感參數(shù)來獲得.MOSFET管體內(nèi)的并聯(lián)二極管的前向電壓降就是一個溫度敏感參數(shù)，通過測量MOSFET管體內(nèi)并聯(lián)二極管兩端的壓降就可以算出MOSFET管的節(jié)點溫度，從而得到MOSFET管的節(jié)點溫升[8]：

25-Tmb[℃]

(17)

其中Tmb為管子的焊接基溫度，也就是PCB板的溫度.

2.2 試驗結(jié)果

圖8是MOSFET管節(jié)點溫度測量方案，即并聯(lián)二極管前向壓降測量電路．圖9是測試臺架，包括高壓共軌柴油機控制器ECU、基于圖8方案的MOSFET并聯(lián)二極管前向壓降測量板等．表2給出了在不同發(fā)動機轉(zhuǎn)速下的MOSFET管溫升模型預(yù)測值和試驗測量值(對應(yīng)100%油門開度)，可見在300～2 750 r/min的發(fā)動機轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，模型均能對MOSFET管的溫升做出準(zhǔn)確預(yù)測，預(yù)測誤差最大不超過2.3%，模型有比較高的預(yù)測精度.

圖8 MOSFET管的節(jié)點溫度測量方案

圖9 溫度模型預(yù)測精度驗證的試驗臺架

表2 模型預(yù)測和試驗測量溫升結(jié)果對比

3 結(jié) 論

由于溫度對汽車控制器ECU工作穩(wěn)定性和可靠性的重要影響，所以在ECU設(shè)計制作之前對功率器件做溫度預(yù)測以確保其峰值節(jié)點工作溫度不超過最高安全工作溫度范圍，就非常有必要.基于一些從器件手冊很容易獲取的參數(shù)和具體的驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)，本文提出的預(yù)測模型可以很精確地預(yù)測出工作在PWM開關(guān)脈沖方式下的功率管峰值節(jié)點工作溫度，并且模型預(yù)測精度經(jīng)過了試驗驗證，預(yù)測誤差最大不超過2.3%.

[1]魏學(xué)哲,戴海峰,孫澤昌.汽車嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法、體系架構(gòu)和流程[J].同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2012,40(7):1064-1070．

WEI Xue-zhe,DAI Hai-feng,SUN Ze-chang.Methodology,architecture and development glow of automotive embedded systems [J].Journal of Tongji University:Natural Science,2012,40(7): 1064-1070.(In Chinese)

[2]潘旭峰,馬彪.汽車電子控制系統(tǒng)的核心-ECU[J].汽車電子,1996,16(8):21-25.

PAN Xu-feng,MA Biao.ECU-the core of automotive electronic control systems [J].Automotive Electronic,1996,16(8):21-25.(In Chinese)

[3]DOSTHOSS R,KOUZANI A Z,SHEIKHOLESLAM F.Direct method for optimal power management in hybrid electric vehicles [J].International Journal of Automotive Technology,2011,12(6):943-950.

[4]REYNELL M.White Paper: U.S.Automotive electronics integrity program [R].SAE Report,1996．

[5]JACKS Mati,MARRY Fuack.N-channel TrenchMOS logic level FET-BUK9675-100A[EB/OL].[2011-04-19].http:// www.nxp.com/technical-support-portal/appnote/AN023.pdf.

[6]JON Klein． Synchronous buck MOSFET loss calculations with excel model [R].USA Texas:Fairchild Semiconductors,2006.

[7]SPAZIANI L.A study of MOSFET performance in processor targeted buck and synchronous rectifier buck converters [C]//In Proc HFPC’96.1996:123-137.

[8]JOCK H,MATTI L.Thermal management of power semiconductor [R].USA Texas: Philips Semiconductors,2005.