汽車感性負載反電動勢抑制技術淺析

摘 要：在汽車電子電器中反電動勢的存在比較廣泛，反電動勢有時對汽車電子電器產(chǎn)生一定危害，嚴重時將導致?lián)p傷周圍電子元器件功能的不利后果，一定要采取有效的抑制、消除措施。結合反電動勢大小采用相應方法和措施，深入研究反電動勢抑制技術，并提出解決汽車感性負載常見反電動勢的方法，應用電路和產(chǎn)品驗證，實際效果較好，對于提高汽車電子電器可靠性設計具有十分重要的作用。

關鍵詞：反電動勢抑制技術;汽車感性負載;汽車電子

0 前言

在汽車控制器和負載中有繼電器、線束及控制模塊中的電感等感性器件和門鎖電機、天窗電機、玻璃升降電機等感性負載。啟動或停止感性負載時，將與電機啟動或關閉會產(chǎn)生相反電勢，即反電動勢。反電動勢將干擾汽車環(huán)境，嚴重時造成減弱汽車電子電器的部分部件性能甚至功能失效，因此，一定要抑制和消除反向電動勢，使電子電器的運行環(huán)境可靠穩(wěn)定。汽車中的驅動電機和燈負載使用很多繼電器，若未能抑制繼電器線圈的反向電動勢，線圈兩端將產(chǎn)生超過100伏的反電動勢能，若在新能源汽車的高壓繼電器中將產(chǎn)生更嚴重的反向電動勢。因此，汽車電子電器的EMC試驗對電子電器輻射及傳導發(fā)射的要求比較嚴格，在IEC標準中的門限值要求比較明確。

1 反電動勢的主要產(chǎn)生原理

在汽車零部件中的負載有很多，負載類型通常分為阻性、容性及感性負載三類，負載的某種特性不是絕對的，通常組合了多種特性。感性負載的特性是對電流變化具有抵抗作用，感性負載在電流變化時具有阻礙電流變化的表現(xiàn)，諸如啟動電機通電時，產(chǎn)生反電動勢對原來電壓具有抵抗作用。產(chǎn)生的反電動勢為：U（t） = Ldi/dt，其中U（t）為產(chǎn)生的反電動勢，di/dt為電流變化率，L為感性負載電感值。由此可知，電流變化率與反電動勢具有正相關關系，為使電感的反電動勢得到消除或有效抑制，可降低電流變化率，使產(chǎn)生的反電動勢有回路釋放，通常電流變化率難以改變，因此主要采取產(chǎn)生的反電動勢有釋放回路的方式對反電勢進行消除或有效抑制。

2 抑制反電動勢的主要措施

（1）純電容吸收電路。電源低壓降前段及后端在純電容吸收電路中都是純電容吸收典型電路，主要用于對較小反電動勢的吸收，諸如電路中的濾波、去耦等電容比較常見。該電路在較遠距離感性負載的芯片級保護中應用，使尖峰、毛刺等干擾消除，針對產(chǎn)生反電動勢較大的感性負載，應用大功率電阻與電容配合使用，效果才較為理想。

（2）純電阻吸收電路。可用電阻在較小的感性負載周圍將其產(chǎn)生的反電動勢能量吸收，諸如將電阻并聯(lián)在繼電器線包兩端，利用電阻回路將斷電時繼電器線包產(chǎn)生在線包兩端的電動勢釋放掉。類似電路中也有對線包產(chǎn)生的反電動勢采用二極管直接釋放的方法，該方法更快，但容易造成傷害繼電器觸點的情況較嚴重。該電路對于繼電器線包、電磁鐵等較小感值的負載較為適用，不管是純電阻還是純電容吸收，都具有基本相同的尖脈沖表現(xiàn)，抑制及消除脈沖。

（3）TVS二極管+功率電阻吸收電路。TVS二極管也被稱為瞬態(tài)抑制二極管，是一種應用比較普遍的新型高效電路保護器件，可達到亞納秒級的極快響應時間，吸收浪涌能力較高。通常應用于汽車電子控制器的電路中，電源前端對源自電源線上的干擾脈沖進行吸收，脈沖類型通常具有較大的脈沖幅值、較短時間及較小的脈沖能量。達到雪崩電壓時的反電動勢脈沖開始啟動反向工作電壓，若電壓達TVS箝位電壓時完全開啟TVS，被箝位在TVS箝位電壓值的反電動勢，在箝位電壓下TVS功率不同具有不同的最大電流。通常為避免TVS受到損壞，采用功率電阻與TVS配合在電路中使用，使脈沖干擾幅值降低。電路對流過功率電阻的最大電流進行計算，以免功率電阻產(chǎn)生過熱問題。

（4）RC+壓敏電阻吸收電路。在產(chǎn)品中RC電路經(jīng)常用于吸收尖峰脈沖，通過調整RC值可調整吸收脈沖大小，但因受到電阻和電容所限，該值不可無限制大。此外，因受電容值所限，該方法在一定程度上限制了吸收反電動勢，因此，RC與壓敏電阻相配合具有更明顯的效果，RC完成吸收脈沖尖峰毛刺的功能，壓敏電阻完成吸收較大幅值、較強能量的脈沖。RC配合壓敏電阻可有效吸收復雜感性負載產(chǎn)生的反電動勢。

（5）MOSFET反電動勢進行吸收。冷卻風扇在汽車零部件中具有較大的感性負載，功率通常處于350—500瓦之間，在啟動和停止時風扇產(chǎn)生較大的反電動勢，若不能妥善處理將導致周圍電子元器受到的傷害較大，嚴重時將導致器件功能失效甚至消失。在MOSFET吸收電路中，PWM工作模式的冷卻風扇控制器通過倍壓電路將產(chǎn)生比整車的battery電壓高，反電勢能量可獲得一定釋放。若風扇轉動全速100%時，電路中未形成倍壓，也不會產(chǎn)生反電動勢能量。但若此時突然停止風扇，電路中將產(chǎn)生較大能量的反電動勢，這時電路中因電壓聚集未能完全釋放，使電路處于微開通狀態(tài)，在短時間內狀態(tài)較為危險。冷卻風扇有時將產(chǎn)生MOSFET點擊穿的情況，經(jīng)對風扇分析測試后，結果顯示其主要的可能性為：一是在全速轉動時，風扇的VGS處于2—3伏之間的微開狀態(tài)，若突然斷電，風扇電路中的一端將產(chǎn)生的反電動勢較強，在微開通下導致其發(fā)生損壞;二是脈沖啟動原因，啟動發(fā)動機時，將拉低電平電源電壓，處于微開通狀態(tài)的電路，電壓處于2—3 伏之間，這時流過電路一端的反電動勢較大，使其存在一定風險。為使該問題得到妥善解決，可采用MCU獨立控制倍壓電路中的PWM信號，開始啟動風扇電機后，一直存在PWM信號，若電路中存在反電動勢，可通過電路釋放;還可在全速轉動的風扇中，采用軟件打開電路并釋放風扇產(chǎn)生的反電動勢。

3 總結

綜上所述，本文與汽車電子電器工作的實際環(huán)境相結合，提出解決產(chǎn)生于不同感性負載的反電動勢的具體方法，同時開展了對比測試，對應用抑制反電動勢措施的有效性進行了證明，在理論上為汽車電子電器產(chǎn)品設計提供了重要依據(jù)，為試驗提供了技術支撐，在汽車電子電器設計中對于提高抗干擾性提供了重要參考依據(jù)。

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作者簡介：曹稷（1984-），男，遼寧錦州人，本科，研究方向：汽車電子信息。