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汽车控制器中反极性电压保护电路设计

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深圳逸盛通科技河北快3走势图

时间 : 2018-09-27 23:29 浏览量 : 37
  1. 汽车控制器中反极性电压保护电路设计


  2. 摘要

在装配或者修理的日常操作中,汽车电源线反接使得汽车控制器容易遭受反向电压的损坏,因此相关的汽车法规,以及各整车厂都对汽车控制器的防反接能力做了要求;一般来说需要能够忍受-14V 的反极性电压。

同时汽车的恶劣环境会产生各种浪涌电压,ISO7637 标准作了相关的测试说明,其中波形 1 的负极性浪涌脉冲时间相对反接测试时间更短,而最低电压远低于-14V,因此工程师需要通过分析计算来确定电路参数,提高电路的稳定性。

该文章首先讲述反极性电压的保护方案及其优缺点,然后以英飞凌的一款 P 通道MOSFET 为例来说明如何分析电路的抗脉冲能力。

2. 反极性电压保护方案

常见保护方案的主要器件可以是二极管,N 通道或者 P 通道的MOSFET,下面就这三种方案进行说明。

  • 二极管应用

二极管是最简单的反极性电压保护方案,如图 1:

图1:二极管反极性电压保护

正常工作时二极管正向导通,反向电压时二极管截止;尽量选择压降小的二极管,以减少系统供电低时对系统的影响。

由于二极管正向压降基本不变,因此随着正常工作电流增加,消耗在二极管上的功率也要相应增加。

  • 承受电压电流能力出色的 N 通道 MOSFET

如果需要在正常工作时更低的功率消耗,可以选用 MOSFET,如图 2:

图2:N-MOSFET 反极性电压保护

MOSFET 由于工艺原因都会存在体二极管,和普通二极管工作原理相同,影响各种状态下电流的流向。图 2 是 N 通道 MOSFET 反极性保护的示意图,正常工作时相当于高边开关的导通状态,MOSFET 的 Source 端接在高边,Drain 端接在低边;由于是高边应用,Gate 端需要有一个泵升压电路来保证 V-Gate 高于 V-Source,正向电压时处于导通状态。关键在于泵升压电路接地的二极管,当系统处于反极性电压时,这个二极管截止,保护泵升压电路的同时使泵升压电路不工作,最终导致 N 通道 MOSFET 关闭,从而保护系统免受反极性电压损坏。

这个电路的缺点是设计复杂,泵升压电路本身有功率消耗和 EMC 等问题。优点是总体的功率消耗都要减少,减少的程度取决于 MOSFET 的内阻选取,大致相当于二极管的几分之一;特别是在电流非常大的应用领域,不仅单个的 MOSFET 的电流能力可以很大,还可以考虑并联 MOSFET,减少并联内阻的同时减少功率消耗,增加电流能力。

英飞凌是汽车电子器件的领导者之一,可以提供从 30V 到 100V 不同电压等级的 MOSFET,比如IPB 100N10S3-05耐压 100V 的同时可以承受最大持续电流 100A;IPB180N06S4-H1可以承受最大电压 60V,最大持续电流 180A。

因此这两款 MOSFET 特别适合应用在需要大电流通过的系统上,比如电动助力转向系统,持续电流 60A 时在 IPB 100N10S3-05 上消耗大约 17W 功率,同样的电流在二极管上则要消耗功率超过 40W (P=UI)。

  • 设计简洁的 P 通道 MOSFET 电路

N 通道 MOSFET 电路的泵升电路会让不少工程师望而却步,造成的 EMI 甚至会让产品测试不能通过,这时可以考虑 P 通道 MOSFET 进行电路设计,如图 3:

图3:P-MOSFET 反极性电压保护

正常工作时首先电流正向经过体二极管,source 端电压接近 12V,Gate 端电压为零,相对于 Source 端是负电压,MOSFET 完全导通,电流由 Drain 流向 Source;钳位二极管保护 Gate端不超过额定电压。

当系统处于反极性电压时,钳位二极管正向导通,Gate 端和 Source 端的相对电压只有0.7V 左右,MOSFET 关闭,从而保护系统免受反极性电压损坏。P 通道 MOSFET 由于工艺和成本原因,可选器件的耐压等级会低于 N 通道 MOSFET。

英飞凌可以提供 30V 和 40V 两个等级的 P 通道 MOSFET 应用在汽车电子控制器上,比如 IPB180P04P4-03可以承受 40V 最大电压和 180A 最大电流。

  • 方案比较

上面的三种方案,小电流的时候可以使用二极管,成本低廉,电路简单,但是在电流增加的情况下发热会越来越严重;这时候可以用 MOSFET 电路来代替,使用 N 通道或者 P 通道,主要要考虑的因素是价格以及 EMC 效果,见表 1。

表1:方案比较

电源反接的时的反极性电压一般是-14V,因此对于以上三种电路只要选型合适都可以承受。ISO 7637-2 标准的波形 1 对浪涌电压的测试参数进行了说明,其中脉冲的最低电压可以达到-100V,二极管和 N 通道 MOSFET 只要选择耐压 100V 以上的器件,都可以满足要求,直接阻断负电压;P 通道 MOSFET 由于工艺和成本限制,耐压通常要低于 100V,因此在 P 通道MOSFET 的电路方案中,反向脉冲会照成 MOSFET 的雪崩击穿。

3.英飞凌 P 通道 MOSFET 浪涌电压保护计算

MOSFET 型号:IPB180P04P4-03

参考标准 ISO 7637-2:2004(E)

图4:ISO7637-2 波形 1

由于 tr 相对 td 时间很短,只有微秒级,可以假定这个波形是个理想的直角三角形,横坐标持续时间 td(2ms),纵坐标峰值为 Us(-100V)。同时负载在标准中规定为 10Ω。

IPB180P04P4-03 的耐电压 40V,典型雪崩电压可以估算 1.4 x 40V = 56V,可以通过斜率的比例很方便的算出雪崩的时间:

参照 MOSFET 的手册参数,IPB180P04P4-03 可以在 25℃的环境温度,峰值 60A 的电流情况下承受 90mJ 的单次雪崩能量击穿,器件不会有损坏或者失效。本次测试的峰值电流只有 4.4A,可以简单的认为 MOSFET 可以成比例的承受更高的能量(40A/4.4A) x 90mJ = 818mJ,远高于本次 82mJ 的雪崩能量。

IPB180P04P4-03 的稳态热阻只有 1K/W(瞬态热阻更低),所以单次浪涌脉冲对器件只能照成 0.11℃左右的温升。

4. 结论

英飞凌提供了应用于汽车电子领域的各种电压等级和电流能力的 MOSFET 芯片,适用于各种不同需求的反极性电压保护方案,在实际应用中有诸多的成功案例可以借鉴,工程师可以根据实际需要的各种参数进行选择。(英飞凌igbt厂家)


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