發動機控制器ECU中功率管的溫度預測研究*

任國峰,田 豐,楊 林

(上海交通大學 汽車電子技術研究所,上海 200240)

當今汽車對安全、節能環保以及舒適性、操縱穩定性等功能的要求越來越高，使得迅速發展的電子技術在汽車領域獲得了廣泛的應用，傳統的機械控制系統逐漸被電子控制系統所取代，從發動機控制系統、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內廣泛應用.據統計，汽車上有60%的功率流動控制都是通過MOSFET管來實現的[3].而MOSFET管在工作時會因為它的導通和開關而消耗一定的功率，消耗的功率會轉化成熱，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.據美國汽車工程師協會SAE調查研究[4]，在所有引起汽車發動機ECU失效的因素當中，有40%是由于工作溫度過高而引起的.

工作于穩態條件下的MOSFET管的溫升ΔT可以通過穩態熱阻公式ΔT=P×Rth計算，但是ECU內的功率管大多都工作在PWM開關脈寬調制狀態下，在開關脈沖功率作用于功率器件時，由于器件自身存在的熱容，器件的結點溫度并不會瞬時升高到峰值溫度，采用上式計算峰值節點工作溫度，會過高預測其峰值溫度.所以在發動機ECU設計開發過程中，如果能在硬件設計制作之前就對功率器件的峰值節點工作溫度作出精確預測，確保其峰值節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工作的穩定性和可靠性，縮短設計周期，降低設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測簡化模型，模型可以根據從器件手冊很容易獲取的一些基本參數對器件節點的峰值工作溫度快速做出精準預測，并通過試驗驗證了模型的預測精度.

1 溫度預測模型

溫度預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熱阻模型，并基于“疊加”原理計算工作于PWM開關脈寬調制方式下的功率管峰值節點溫升.

1.1 瞬態熱阻模型

獲取功率管的瞬態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.幸運的是，幾乎每個功率器件生產商都會在其使用手冊上給出瞬態熱阻響應曲線圖，如圖1所示的就是恩智浦(NXP)半導體生產的BUK9675-100A型功率管的瞬態熱阻響應曲線簇[5].瞬態熱阻可以表示為：

(1)

式中Rthj-mb代表穩態熱阻，可以直接從圖上讀取，或：

(2)

從式(1)可以看出，確定瞬態熱阻就是確定時間常數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下的瞬態熱阻可表示為：

Zth(t,δ)=δ×Rth+(1-δ)×

(4)

圖1 瞬態熱阻響應曲線簇

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，在打開和關閉功率MOSFET管時，管自身會消耗一定的功率，稱為開關損耗；在MOSFET管導通時，自身通過大電流，因為功率管的導電溝道有一定的導通電阻，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出的優異性能而獲得了廣泛的應用.MOSFET管的等效驅動電路如圖2所示．功耗模型把功率管的打開和關閉波形作分段線性處理，如圖3所示.

當驅動信號加到MOSFET管的柵極(Gate)，驅動電流開始給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MOSFET管內沒有形成導電溝道，也就沒有流過電流，因此也就沒有功率損耗Pt1=0.當柵極電壓VGS達到閾值電壓VGS(th)時(t1時刻)，這時導電溝道開始形成，輸入電容繼續充電，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，MOSFET管漏、源極間承受著最大的跨導電壓VDS和急劇上升的負載電流ILOAD或急劇下降的跨導電壓和最大負載電流，開關損耗主要發生在這段時間內，關斷過程亦類似，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，由使用的驅動電路結構確定.MOSFET管在導通時，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點溫升

當一連串的脈沖功率應用于功率管時，功率管的最大溫度往往發生在最后一個脈沖的結尾處，此時的功率管節點峰值溫度是前面所有脈沖功率作用的總和.“疊加”原理把此時的節點溫度看作是所有單個脈沖激勵的綜合響應，包括瞬態熱阻和等效功耗.

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點溫度.

在第4個脈沖結束處(即t7時刻)的峰值節點溫升ΔT可以按下式計算：

(11)

2 模型預測精度試驗驗證

汽車控制器內的大多數半導體功率開關器件都工作在PWM開關狀態下，提出的模型就比較適合預測這種情況下的瞬態峰值節點溫度.模型選用電控柴油機電磁閥驅動電路作為一個應用案例，來驗證模型對瞬態溫度的預測精度.

2.1 試驗方案

現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.為了實現電磁閥的高速響應特性，電控柴油機電磁閥普遍采用高電壓、大電流來驅動，電控柴油機ECU的電磁閥驅動電路拓撲結構如圖5所示.電磁閥的驅動電路普遍采用雙電壓和“提升-保持”型的驅動電流，如圖6所示．開始時，用高電壓驅動電磁閥快速打開，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，為了減小電磁閥發熱，驅動電流轉為保持電流(5 A)，直到噴油脈寬結束.為了達到穩定的驅動電流，開關功率管的PWM調制方式被廣泛采用，這會導致MOSFET管兩種主要的功耗模式，開關損耗和阻性損耗.

(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點溫度響應

(d) 疊加原理計算峰值節點溫度Tj

(e) 對應不同脈沖下的瞬態熱阻

圖5 電磁閥驅動電路拓撲結構

圖6 驅動電流波形及其等效功耗

MOSFET管的峰值節點溫度不但和噴油脈寬有關，還和噴油周期有關.而噴油脈寬和周期又是發動機轉速和加速踏板位置的函數，他們的關系如圖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，對應缸的低邊控制開關(LS1～LS6)一直打開，所以低邊開關主要產生阻性損耗，高壓控制開關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，高壓控制開關就關閉；而蓄電池控制開關HS在提升和保持電流階段一直處于PWM調制狀態，在PWM調制時，MOSFET管兩端承受著急劇變化的電壓和電流，產生巨大的功率損耗，并且相對于底邊控制開關(LS1～LS6，發動機一個工作循環內開關一次)，蓄電池控制開關HS在一個工作循環內要PWM調制6次.所以，高邊開關HS是驅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HS進行的.

Engine speed/(r·min-1)

從圖6中的驅動電流波形來看，在一個噴油脈寬Tpulse內，功率管的峰值節點溫度應出現在噴油脈寬結束時，這段時間內，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等效的脈沖功率個數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，功率管開關次數n可以表示為：

(16)

模型需要的輸入參數如表1所示.

表1 溫度預測模型的輸入參數

在實際測量MOSFET管的節點溫度時，不可能把一個溫度計放置到MOSFET管的節點位置處，測量MOSFET管的節點溫度一般都是通過測量管子的一個溫度敏感參數來獲得.MOSFET管體內的并聯二極管的前向電壓降就是一個溫度敏感參數，通過測量MOSFET管體內并聯二極管兩端的壓降就可以算出MOSFET管的節點溫度，從而得到MOSFET管的節點溫升[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 試驗結果

圖8是MOSFET管節點溫度測量方案，即并聯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并聯二極管前向壓降測量板等．表2給出了在不同發動機轉速下的MOSFET管溫升模型預測值和試驗測量值(對應100%油門開度)，可見在300～2 750 r/min的發動機轉速范圍內，模型均能對MOSFET管的溫升做出準確預測，預測誤差最大不超過2.3%，模型有比較高的預測精度.

圖8 MOSFET管的節點溫度測量方案

圖9 溫度模型預測精度驗證的試驗臺架

表2 模型預測和試驗測量溫升結果對比

3 結 論

由于溫度對汽車控制器ECU工作穩定性和可靠性的重要影響，所以在ECU設計制作之前對功率器件做溫度預測以確保其峰值節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和具體的驅動電路結構，本文提出的預測模型可以很精確地預測出工作在PWM開關脈沖方式下的功率管峰值節點工作溫度，并且模型預測精度經過了試驗驗證，預測誤差最大不超過2.3%.

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