如何正確計算感性負載浪湧電流的熱溫升

2021-01-08 EDN電子設計技術

汽車的控制器控制著各種類型的負載，包括阻性負載、容性負載和感性負載。例如，車燈在車身控制模塊的負載中佔有很大比重。不正確的設計和器件選型會對控制器造成失效，影響產品的質量。本文詳細解釋了燈泡在浪湧電流下的物理模型和仿真模型，進而給出了如何在設計中計算浪湧電流，並驗證在此條件下器件的設計安全。AxOednc

浪湧電流的產生和負載的種類和特性有關，和通斷頻率也有關係。特別是在有浪湧電流存在的負載情況，應和穩態電流一起測定浪湧電流值。圖1顯示了有代表性的負載種類與浪湧電流的關係。AxOednc

圖1：典型的負載種類與浪湧電流的關係。AxOednc

從圖1可以看出，當負載為燈泡時，浪湧電流約是穩態電流的10～15倍，本文重點討論汽車中的白熾燈。以汽車前大燈為例，一般是55W的額定功率。AxOednc

圖2：白熾燈的參數模型。AxOednc

為確定白熾燈的參數模型中的R1、R2、C1的參數，下面把參數模型的數值逐一定義出來。AxOednc

第一步，先計算出穩態下的R1：AxOednc

AxOednc

穩態電流：AxOednc

第二步，確定R2。在浪湧的初始狀態，白熾燈的等效電路呈現出電容的特性，即在很短暫的時間到達峰值電流後，又衰減成穩態電流。因此，還需要在電容的迴路上串聯一個電阻（R2）。AxOednc

第三步，計算電容的值。白熾燈的等效電路上電容電流的衰減可以由下式給出：AxOednc

AxOednc

（可以認為在10ms的時間後電流達到了穩態電流值，此時的浪湧電流已經下降到初始值的約63%） 圖3給出了已完成參數定義的55W白熾燈泡的Pspice等效模型。AxOednc

圖3：白熾燈泡的Pspice等效模型（55W）。AxOednc

為了驗證參數定義的有效性，仿真的結果和實際的測量值也相當一致（見圖4）。需要注意的是，圖3只是給出了冷態下單次浪湧電流下白熾燈的等效模型（55W）。AxOednc

圖4：55W白熾燈Pspice等效模型的仿真結果。AxOednc

以上分析了器件的物理特性和仿真，在工程實踐中還需要通過器件選型來確保在浪湧電流下設計的安全。AxOednc

1）計算浪湧電流下開關控制器件的溫升（以BTS5020-2EKA為例）：AxOednc

穩態電流：AxOednc

浪湧電流為：AxOednc

考慮到燈泡製造中參數的離散性，還要加上約10%的設計裕量，因此在選擇功率器件時要確保器件的Isc ＞ (1+10%)Iinrush。從BTS5020-2EKA的數據表中查出Isc = 50A。計算出的值為50.38A，由於是在極限的情況下超出邊界值，在最差情況下分析時可以認為對設計沒有影響。AxOednc

2）驗證在浪湧電流下的功率損耗AxOednc

功率損耗：AxOednc

(Rds(on) = 44mΩ，BTS5020-2EKA數據表給出)AxOednc

在BTS5020-2EKA數據表中找到熱阻和脈衝時間的曲線圖（見圖5），找到10ms（0.01s）的那條2S2P（4層板）對應曲線，得到的ZthJA＝2℃/W。AxOednc

圖5：數據表中熱阻和脈衝時間的曲線圖。AxOednc

浪湧電流引起BTS5020-2EKA的溫升：AxOednc

ΔT = Ploss×ZthJA = 46×2 = 92(℃)AxOednc

TJ = Tambient+ΔT = 25+92 = 117(℃)AxOednc

TJ小於器件給出的最高結溫要求（見圖6）。AxOednc

圖6：數據表中結溫範圍要求。AxOednc

通過以上的設計分析和計算，可以認為BTS5020-2EKA滿足在實際應用下浪湧電流的要求。AxOednc

本文為《電子技術設計》2020年2月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。

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