均衡电流，实现车规智能驱动器的最佳性能

• 关键词：半导体,嵌入式,意法半导体
• 作者：by Giusy Gambino, Marcello Vecchio, Filippo Scrimizzi
• 摘要：在汽车电源管理系统中做分布式智能设计时，对于智能功率开关，确保保护机制是否真正实现了智能至关重要，尤其是在涉及多通道驱动器的场景中，因为即使是轻微的电流失衡或意外的负载短路都会影响保护效果。

在汽车电源管理系统中做分布式智能设计时，对于智能功率开关，确保保护机制是否真正实现了智能至关重要，尤其是在涉及多通道驱动器的场景中，因为即使是轻微的电流失衡或意外的负载短路都会影响保护效果。

智能驱动器在管理和分配汽车电池包到各种组件（ECU、电机、车灯、传感器等）方面发挥着关键作用，这些多通道驱动器同时控制不同的电气负载，例如，电阻式执行器、电感式执行器和电容式执行器。所有通道的电流都保持均衡对于驱动器正常运行并确保车辆正常且高效地运行至关重要。在电路布局中，任何造成电流通过特定金属路径集中的轻微电流失衡、负载损坏或失效以及接线不当等意外情况，都可能导致局部电路出现电流聚集效应。电流失衡现象将会导致芯片过热和热点聚集，最终损坏或烧毁元件。

虽然做了热模拟实验和预防措施，但仍需检查和验证智能保护机制的实现情况，这有助于发现可能影响干预时效的潜在问题。

智能开关中的热检测

高边开关需要在空间非常小的紧凑封装内处理大电流，对于能否高效地管理热量，电流均衡是一个重要的影响因素。智能功率开关通常安装在通风和散热不良的封闭区域，这使得热管理变得更加重要。

因此，保护机制的智能性能取决于嵌入式热诊断功能，这些基于热检测和保护机制的诊断功能用于监测驱动器的温度，并在温度超过预设阈值时执行保护操作。准确度是测温技术面临的一个难题，因为多通道驱动器的电流均衡度对测温准确度影响很大。

局部电流密度突然变高或短路情况是设计人员非常关心的一个问题，这两种现象会产生分散的热点，导致突发性的热聚集效应，使温度骤然升高。这些情况可能导致过热和元器件失效，而且维修成本高昂。

为了防止热冲击损坏元器件，保护电路被设计为限制电流并使功率MOSFET保持在安全工作区域（SOA）内，直到触发热关闭功能，关闭驱动器。然而，这种类型的保护可能会在功率器件表面产生物理应力。为满足电浪要求和工艺容差，限流值需要设置得较高，但是，当驱动短路负载时，较高的限流值会导致芯片表面的温度快速上升。温度骤变会在芯片表面产生巨大的热梯度，从而产生热机械应力，影响器件的可靠性。

VIPower M0-9的解决方案是在高边驱动器低温区和高温区分别集成一个温度传感器（如图1所示）。

图 1 ：具有不同温度传感器的智能开关的原理图

温度传感器采用多晶硅二极管制造技术，因为多晶硅二极管的温度系数在整个工作温度范围内保持很好的线性。低温传感器置于驱动器内部靠近控制器侧的低温区，而高温传感器则位于功率级区域，这是驱动器内部温度最高的区域。

这种双传感器技术可以限制驱动器的温度升幅，因为当温度达到过温阈值，或者两个传感器动态温度差值达到阈值，热保护就会触发。一旦过热故障消失，当温度降低到恢复值时，智能开关重新激活。

这个方法有助于减少开关上的热机械应力引起的热疲劳。热机械应力会随着时间的推移而变大，导致开关性能和可靠性降低。

热测图

除了热模拟实验和预防方法，红外（IR）热成像技术也是一种获取驱动器热测图的有效技术，可以让设计人员全面了解集成电路内的热量分布，揭示所有潜在的危险因素。

为了评估智能保护电路在恶劣的车用环境中的保护效果，必须在两种不同的应用场景和恶劣的短路条件下分析驱动器内的热量分布：

•端子短路(TSC)

•负载短路(LSC)

端子短路是当元器件或设备的端子之间存在低电阻连接的情况，如图2所示。

图2：在 TSC条件下的温度测量测试电路

另一方面，当负载和电源之间存在感应路径时，就会出现负载短路情况，导致电流突然激增（图3）。

图3：在 LSC条件下的温度测量测试电路

测试条件如下：

•T_amb = 25 °C

•V_bat = 14 V

•当热成像时，T_on = 1 ms

•当捕捉热传感器和热点的温度时，T_on = 300 ms

•TSC条件: R_SUPPLY = 10 mΩ, R_SHORT = 10 mΩ

•LSC 条件: R_SUPPLY = 10 mΩ, L_SHORT = 5 µH, R_SHORT = 100 mΩ

其中，

T_amb是环境温度

V_bat直流电池电压

T_on是短路时长

R_SUPPLY是电池内阻

R_SHORT是短路电阻

L_SHORT是短路电感

为了生成热测图，我们使用了红外摄像机捕捉每个位置辐射的红外线，然后将其转换成温度值。为了确保特定颜色转换为正确的温度值，校准是一个必不可少的重要过程。该过程是比较传感器拍摄的不同颜色与已知温度值，分析特定的热敏参数及其随温度升高的趋势。通过分析这些参数，校准过程可以确保热图准确地反映被扫描区域的温度分布。

为了校准红外摄像传感器，选用 MOSFET 体漏极二极管的正向电压 (VF)，因为它与温度呈线性关系。然而，需要对二极管进行预校准才能准确的确定其温度系数。在 25°C 至 100°C 范围内改变温度的同时，测量恒定正向电流 (IF)的电压VF，即可确定二极管的温度系数。为防止电流及其相关功耗引起温升，IF 取值应在 10mA 至 20mA 范围内。

用在不同温度条件下采集的VF值进行线性插值和数学拟合计算，得到二极管的温度系数，如图4所示。

图4 ：MOSFET体漏极二极管的预校准

用下列公式计算 (1)：

其中：

 Dt是温度变化量；

 DV_F是正向电压变化；

K 是二极管的温度系数。

要创建热图，先用红外成像传感器以 1ms 的间隔拍摄每个温度点。在拍摄完芯片上的所有点位后（大约需要 3000 秒），专用软件就会生成热图，根据红外传感器的最小空间分辨率描绘每个点位的温度。把热图放到芯片行图上面，就可以识别工作区域中最热的热点，当电流流过器件时，就可以确定这些热点的坐标。

图 5 所示是VND9012AJ 双通道智能开关在 TSC 条件下的热图。

图 5：VND9012AJ 通道在 TSC 条件下的热图

热测图法是在25°C 到150°C 温度范围内利用不同颜色描述驱动器各个通道的温度分布情况，这是一个检测任何过热区域、确保驱动器在安全温度内工作的重要方法。通过提供每个通道在不同工况下的热图，热图测试法可以验证驱动器的工作可靠性，而无需将温度提高到最大阈值。

为了找到热点并监测高温传感器和低温传感器的温度变化，验证热关断机制的效果，在实验中必须考虑把短路时长延长到300ms。

图 6 所示是在TSC 时观察到的VND9012AJ的温度变化。

图 6：两个传感器在 TSC 条件下的温度变化

上图表明，高温传感器检测到 VND9012AJ 的两个通道中都存在热点，这些热点的最高温度在 150 °C 范围内。

图 7 所示是VND9012AJ 在 LSC 条件下的热图。

图 7：VND9012AJ 通道在LSC 条件下的热图

图 8所示是在LSC 条件下观察到的VND9012AJ的温度变化。

图 8：两个传感器在 LSC 条件下的温度变化

这两种情况都会触发热保护机制，把电流限制在安全水平。

结论

实验结果让我们能够深入洞悉智能开关的设计和开关操作特性，特别是电流分布和热保护机制，为我们提供宝贵的数据。确保所有通道的电流都保持均衡，对于提高汽车智能功率驱动器的安全性和可靠性至关重要。红外热成像技术可以精确、全面的分析温度分布情况，增强智能开关的热感测和保护系统的性能。在要求苛刻的汽车环境中，快速激活这些保护功能对检测过热现象、防止设备或系统损坏至关重要。

参考文献

[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. Großmann, 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.