某電動(dòng)車型真空泵驅(qū)動(dòng)芯片擊穿問題分析與解決辦法

張汝琳

摘 ?要：針對(duì)某電動(dòng)車型在整車下電瞬間出現(xiàn)真空泵控制器驅(qū)動(dòng)芯片擊穿短路導(dǎo)致的真空泵不停機(jī)問題，通過理論及HIL臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)芯片擊穿與真空泵停止瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)有關(guān)。同時(shí)結(jié)合實(shí)車故障復(fù)現(xiàn)模式，分析故障發(fā)生機(jī)理，在真空泵兩端并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管對(duì)真空泵停止瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行吸收，并順利通過HIL測(cè)試、實(shí)車驗(yàn)證及臺(tái)架加速耐久測(cè)試，最終問題得到解決。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)芯片;續(xù)流二極管;反向電動(dòng)勢(shì)

中圖分類號(hào)：U463 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2020）06-0036-05

Abstract： Aiming at the problem occurred at the moment of a certain vehicle powered off， that the vacuum pump controller driver chip had a breakdown and a short circuit， then the vacuum pump did not stop after the vehicle was powered off， Through theoretical and HIL bench test data analysis showed that the driver chip breakdown was related to the reverse electromotive force generated by the instant of the vacuum pump stopped. At the same time， combined with the actual vehicle fault recurrence mode， the failure mechanism was analyzed， and a rectifier diode was connected in parallel at both ends of the vacuum pump to absorb the reverse electromotive force generated at the instant of the vacuum pump stopped， and successfully passed the HIL test， the real car test and the accelerated durability bench test. At last this problem was solved.

前言

隨著電動(dòng)汽車的普及，真空泵作為制動(dòng)助力真空源的應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大[1]。真空泵作為低壓用電器，因其工作時(shí)通過的電流較高，功率較大，無法直接連接ON檔電進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。目前主要有2種驅(qū)動(dòng)方式。其一，在真空泵和ON檔電之間接一個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)大電流控制;其二，真空泵接常電，通過ON檔信號(hào)進(jìn)行喚醒，真空泵功率驅(qū)動(dòng)部分采用智能驅(qū)動(dòng)開關(guān)。

采用傳統(tǒng)繼電器因其本身壽命限制，無法支撐整車及真空泵生命周期使用，某車型采用第二種驅(qū)動(dòng)形式。驅(qū)動(dòng)部分采用英飛凌智能驅(qū)動(dòng)開關(guān)，即驅(qū)動(dòng)芯片，并通過ON檔信號(hào)進(jìn)行喚醒。

1 ? ?真空泵驅(qū)動(dòng)電路工作原理

本文涉及的真空泵控制器電路包括驅(qū)動(dòng)電路、控制電路和電源模塊三部分組成。真空泵控制器通過ON檔信號(hào)喚醒后，由電源模塊開始給控制電路供電，控制電路根據(jù)采集到的信號(hào)判斷真空泵是否需要啟動(dòng)，當(dāng)真空泵需要啟動(dòng)時(shí)，控制電路發(fā)送信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖1所示，驅(qū)動(dòng)芯片導(dǎo)通，即點(diǎn)A、點(diǎn)B之間導(dǎo)通，同時(shí)給真空泵供電，真空泵啟動(dòng)工作。而真空泵停止工作有2種模式：

（1）當(dāng)控制電路根據(jù)采集到的信號(hào)判斷真空泵需要停止工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片斷開，即點(diǎn)A、點(diǎn)B之間斷開，停止給真空泵供電，真空泵停止工作;

（2）當(dāng)真空泵控制器斷電時(shí)，無法給真空泵供電，真空泵停止工作。

2 ? ?問題描述及分析

2.1 ? 問題描述

在車型調(diào)試過程中累計(jì)發(fā)生3例整車下電后真空泵工作不停機(jī)的問題。故障件拆開后發(fā)現(xiàn)，PCB板上驅(qū)動(dòng)芯片燒毀變色，如圖2所示，并聞到燒糊的味道。蓄電池電源斷開后，真空泵工作停止。結(jié)合故障現(xiàn)象判斷：真空泵控制器驅(qū)動(dòng)芯片擊穿短路，真空泵由蓄電池提供常電，真空泵工作不停機(jī)。此現(xiàn)象繼續(xù)發(fā)展，將造成真空泵持續(xù)長時(shí)間高負(fù)載工作，直至真空泵電機(jī)燒毀，無法為車輛提供制動(dòng)助力。

2.2 ? 驅(qū)動(dòng)芯片燒毀機(jī)理分析

結(jié)合真空泵電機(jī)工作特性對(duì)電路原理圖進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，如下式：

而真空泵作為感性負(fù)載，在停止工作瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，真空泵控制器由蓄電池提供常電，此兩個(gè)電壓有疊加的可能，如下式：

UAB為加在到驅(qū)動(dòng)芯片兩端的電壓，UAC為真空泵控制器輸入電壓，即蓄電池電壓，UBC為真空泵兩端電壓，在停止工作瞬間產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，其大小與真空泵停止瞬間線圈內(nèi)電流隨時(shí)間的變化快慢有關(guān)[2]。

分別采用高分辨率示波器對(duì)UAB、UAC、UBC進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)值結(jié)果如下圖3、圖4、圖5所示。

UAB在真空泵停止瞬間會(huì)有一個(gè)瞬時(shí)脈沖電壓，此脈沖電壓平均在38V左右，最高可達(dá)到40 V;

UAC正常值為13.8V，在真空泵停止瞬間偶發(fā)有一個(gè)脈沖，此脈沖最高時(shí)可達(dá)到14.5V以上;

UBC一般不超過25V，偶發(fā)會(huì)達(dá)到27～28V。

通過以上測(cè)試，真空泵控制器供電電壓與真空泵停止瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)確實(shí)有疊加的現(xiàn)象，此2個(gè)電壓疊加后即加載到驅(qū)動(dòng)芯片兩端的電壓。

對(duì)照驅(qū)動(dòng)芯片規(guī)格書，常溫狀態(tài)驅(qū)動(dòng)芯片破壞電壓為35～44V，即真空泵停止瞬間加載到驅(qū)動(dòng)芯片兩端的脈沖電壓已經(jīng)達(dá)到了驅(qū)動(dòng)芯片的破壞電壓范圍。

電路原理圖中，與真空泵電機(jī)并聯(lián)的元器件為一個(gè)瞬態(tài)抑制二極管，型號(hào)為SMAJ22（C）A，以下簡稱TVS[3]，此TVS雪崩電壓在24.4～26.9V范圍內(nèi)，鉗位電壓為35.5V，而真空泵停止瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)正好在此TVS雪崩電壓范圍內(nèi)，對(duì)真空泵反向電動(dòng)勢(shì)的吸收能力過小，無法對(duì)驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生有效保護(hù)。

初步分析驅(qū)動(dòng)芯片燒毀原因：驅(qū)動(dòng)芯片破壞電壓為35～44V，不同芯片耐受程度及沖擊電壓有所差異，造成部分真空泵控制器驅(qū)動(dòng)芯片燒毀。

2.3 ? 驅(qū)動(dòng)芯片燒毀機(jī)理驗(yàn)證

2.3.1 實(shí)車故障復(fù)現(xiàn)

首先對(duì)車輛正常上電后，驅(qū)動(dòng)芯片兩端的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，真空泵正常工作模式下（系統(tǒng)真空壓力高于啟動(dòng)值時(shí)真空泵工作，達(dá)到停止門限值時(shí)真空泵停止工作），驅(qū)動(dòng)芯片兩端脈沖電壓最高不超過40V，且無故障復(fù)現(xiàn)。

結(jié)合故障現(xiàn)象均是在車輛下電后出現(xiàn)的特點(diǎn)，對(duì)車輛實(shí)施反復(fù)快速上下電操作（真空泵在車輛啟動(dòng)后2s左右后開始工作，聽到真空泵工作聲音，立即整車下電）。測(cè)試發(fā)現(xiàn)真空泵停止工作瞬間，加載在驅(qū)動(dòng)芯片兩端的最大脈沖電壓隨真空泵工作周期的長短有差異。真空泵工作周期越長，脈沖電壓越低;真空泵工作周期越短，脈沖電壓越高。當(dāng)脈沖電壓達(dá)到40V以上時(shí)故障復(fù)現(xiàn)，驅(qū)動(dòng)芯片擊穿短路，真空泵工作不停機(jī)，如表1所示：

真空泵正常工作模式下，工作周期均在6s以上;而反復(fù)快速上下電操作時(shí)，通過人為操作實(shí)車，無法直接通過控制車輛下電時(shí)間來精確控制真空泵工作周期。因此詳細(xì)的數(shù)據(jù)通過硬件在環(huán)臺(tái)架（以下簡稱HIL臺(tái)架）進(jìn)行測(cè)試。

2.3.2 HIL臺(tái)架故障復(fù)現(xiàn)

結(jié)合實(shí)車測(cè)試規(guī)律，搭建真空泵系統(tǒng)HIL臺(tái)架，如下圖6所示，測(cè)試真空泵不同工作周期時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片是否燒蝕，同時(shí)檢測(cè)驅(qū)動(dòng)芯片兩端脈沖電壓和真空泵反向電動(dòng)勢(shì)。

HIL臺(tái)架測(cè)試結(jié)果見表2：

備注：因HIL測(cè)試每個(gè)真空泵工作周期使用測(cè)試的樣本量均不小于5個(gè)，故表中最大反向電動(dòng)勢(shì)及最大脈沖電壓均為一個(gè)范圍。

以上實(shí)車及臺(tái)架測(cè)試數(shù)據(jù)表明，驅(qū)動(dòng)芯片破壞電壓范圍理論值為35～44V，實(shí)際使用時(shí)該驅(qū)動(dòng)芯片在40V以下脈沖電壓下?lián)p壞的概率較低，40V以上脈沖電壓下燒毀概率較高;實(shí)車出現(xiàn)40V以上的脈沖電壓時(shí)，主要在真空泵超短周期工作（20ms以下）的工況，即真空泵剛開始啟動(dòng)整車突然下電的情況。

3 ? ?方案制定及驗(yàn)證

3.1 ? 方案制定

基于以上原理分析及測(cè)試數(shù)據(jù)，取消原電路中真空泵兩端并聯(lián)的TVS，變更為續(xù)流二極管[4]，對(duì)真空泵工作停止瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行吸收。

通過以上測(cè)試，真空泵停止工作瞬間產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)最高為28V，持續(xù)時(shí)間最長為80us，產(chǎn)生的感應(yīng)電流最大不超過15A。對(duì)應(yīng)二級(jí)管的選型需能夠完全吸收這部分能量，并留有足夠余量。結(jié)合供應(yīng)商最常用的幾個(gè)續(xù)流二極管型號(hào)，最終選定續(xù)流二極管型號(hào)為S10M。此二極管耐壓值1000V，耐瞬時(shí)電流能力為200A，持續(xù)時(shí)間8.3ms，滿足需求。

3.2 ? 方案驗(yàn)證

對(duì)變更為續(xù)流二極管的真空泵控制器進(jìn)行HIL臺(tái)架驗(yàn)證，真空泵兩端反向電動(dòng)勢(shì)測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示：

真空泵兩端的反向電動(dòng)勢(shì)與真空泵工作周期有關(guān)：真空泵工作周期在4ms左右時(shí)，真空泵兩端反向電動(dòng)勢(shì)達(dá)到峰值4.8V;而真空泵正常工作模式下，真空泵兩端反向電動(dòng)勢(shì)不超過1.5V。測(cè)試數(shù)據(jù)表明續(xù)流二極管對(duì)真空泵產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)吸收效果明顯。

變更后驅(qū)動(dòng)芯片兩端脈沖電壓測(cè)試數(shù)據(jù)見表4：

驅(qū)動(dòng)芯片兩端的電壓值與真空泵工作周期有關(guān)：真空泵工作周期在4ms左右時(shí)，驅(qū)動(dòng)芯片兩端電壓達(dá)到峰值24V，真空泵正常工作模式下，驅(qū)動(dòng)芯片兩端電壓不超過16.5V，滿足驅(qū)動(dòng)芯片規(guī)格要求。

針對(duì)真空泵工作周期為4ms時(shí)出現(xiàn)最大脈沖電壓的情況，進(jìn)行最惡劣工況下的100萬次耐久測(cè)試，測(cè)試通過。

同時(shí)，變更后的真空泵控制器進(jìn)行批量實(shí)車驗(yàn)證，驗(yàn)證通過。

4 ? ? 結(jié)語

真空泵電機(jī)作為感性負(fù)載，在停止瞬間產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)是無法避免的，設(shè)計(jì)中要充分考慮反向電動(dòng)勢(shì)的處理，同時(shí)電器元器件的選型需充分考慮設(shè)計(jì)余量。本案例中故障的發(fā)生原因即TVS的選型不合理，對(duì)感性負(fù)載產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)未進(jìn)行有效處理，無法對(duì)下一級(jí)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行有效保護(hù)和吸收[5]，造成驅(qū)動(dòng)芯片擊穿。而變更后的電路可以通過續(xù)流二級(jí)管對(duì)感性負(fù)載產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行消耗吸收，確保驅(qū)動(dòng)芯片正常工作。本案例通過充分的理論分析、臺(tái)架測(cè)試和實(shí)車測(cè)試，掌握了感性負(fù)載在斷電瞬間對(duì)系統(tǒng)中電器元件電壓沖擊的數(shù)據(jù)及規(guī)律，為含有感性負(fù)載的電路如何提高抵御系統(tǒng)電壓沖擊能力提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)，并為類似問題處理提供借鑒及整改方向。

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