发动机控制器ECU中功率管的温度预测研究*

任国峰,田 丰,杨 林

(上海交通大学 汽车电子技术研究所,上海 200240)

当今汽车对安全、节能环保以及舒适性、操纵稳定性等功能的要求越来越高，使得迅速发展的电子技术在汽车领域获得了广泛的应用，传统的机械控制系统逐渐被电子控制系统所取代，从发动机控制系统、动力传动总成控制到车身和底盘控制等[1-2].而功率MOSFET管，作为汽车中最重要的功率整流控制器件在汽车ECU内广泛应用.据统计，汽车上有60%的功率流动控制都是通过MOSFET管来实现的[3].而MOSFET管在工作时会因为它的导通和开关而消耗一定的功率，消耗的功率会转化成热，从而造成了MOSFET管的工作温度升高.在较高的温度下，这些器件的可靠性会降低，工作寿命也会缩短.据美国汽车工程师协会SAE调查研究[4]，在所有引起汽车发动机ECU失效的因素当中，有40%是由于工作温度过高而引起的.

工作于稳态条件下的MOSFET管的温升ΔT可以通过稳态热阻公式ΔT=P×Rth计算，但是ECU内的功率管大多都工作在PWM开关脉宽调制状态下，在开关脉冲功率作用于功率器件时，由于器件自身存在的热容，器件的结点温度并不会瞬时升高到峰值温度，采用上式计算峰值节点工作温度，会过高预测其峰值温度.所以在发动机ECU设计开发过程中，如果能在硬件设计制作之前就对功率器件的峰值节点工作温度作出精确预测，确保其峰值节点温度不会超过器件允许的最高安全工作温度限值，对于提高ECU工作的稳定性和可靠性，缩短设计周期，降低设计成本都将具有非常重要的意义.

本文针对电控柴油机控制器ECU中的功率MOSFET管提出了一个温度预测简化模型，模型可以根据从器件手册很容易获取的一些基本参数对器件节点的峰值工作温度快速做出精准预测，并通过试验验证了模型的预测精度.

1 温度预测模型

温度预测模型主要由两部分组成，分别是功率管的功耗模型和瞬态热阻模型，并基于“叠加”原理计算工作于PWM开关脉宽调制方式下的功率管峰值节点温升.

1.1 瞬态热阻模型

获取功率管的瞬态热阻最实用的方式就是测量功率管在脉冲功率激励下的热响应.幸运的是，几乎每个功率器件生产商都会在其使用手册上给出瞬态热阻响应曲线图，如图1所示的就是恩智浦(NXP)半导体生产的BUK9675-100A型功率管的瞬态热阻响应曲线簇[5].瞬态热阻可以表示为：

(1)

式中Rthj-mb代表稳态热阻，可以直接从图上读取，或：

(2)

从式(1)可以看出，确定瞬态热阻就是确定时间常数τth，这可以通过对微分ΔZth/Δt求极限获得：

(3)

在不同脉冲宽度tp和不同占空比δ下的瞬态热阻可表示为：

Zth(t,δ)=δ×Rth+(1-δ)×

(4)

图1 瞬态热阻响应曲线簇

1.2 功率管的功耗模型

功率管的功率损耗主要由两部分组成，在打开和关闭功率MOSFET管时，管自身会消耗一定的功率，称为开关损耗；在MOSFET管导通时，自身通过大电流，因为功率管的导电沟道有一定的导通电阻，这些电阻会消耗一定的功率，称为阻性损耗(亦称跨导损耗)；这两部分功率损耗是MOSFET管功率损耗的主要组成部分，这部分功率损耗会以热的形式释放出来，造成器件的工作温度升高.

Ptotal=Presistive+Pswitch

(5)

一个经典的功率管分段线性功耗模型[6-7]因为其简单易用且在估算功率管功耗时表现出的优异性能而获得了广泛的应用.MOSFET管的等效驱动电路如图2所示．功耗模型把功率管的打开和关闭波形作分段线性处理，如图3所示.

当驱动信号加到MOSFET管的栅极(Gate)，驱动电流开始给MOSFET管的门极输入电容CGS充电(从t0时刻开始)，栅极电压VGS开始增加达到栅极的阈值电压VGS(th)，在这段时间内MOSFET管内没有形成导电沟道，也就没有流过电流，因此也就没有功率损耗Pt1=0.当栅极电压VGS达到阈值电压VGS(th)时(t1时刻)，这时导电沟道开始形成，输入电容继续充电，漏极电流ID开始随着栅极电压的升高而线性增加直到接近输出负载电流ILOAD(t2时刻)；接下来，进入t3时间段，这时栅极电流全部用来给栅、漏极间电容CDG充电，漏源两端电压VDS开始从输入电压线性下降到0，负载电流ILOAD全部流过MOSFET管.在t1～t2和t2～t3时间段内，MOSFET管漏、源极间承受着最大的跨导电压VDS和急剧上升的负载电流ILOAD或急剧下降的跨导电压和最大负载电流，开关损耗主要发生在这段时间内，关断过程亦类似，如图3中阴影部分所示.

图2 功率MOSFET管的等效电路

图3 功率MOSFET管的分段线性功耗模型

(6)

打开和关闭MOSFET管的时间tsw=t3-t1可以通过下式计算：

(7)

Qgate代表栅极电荷，通过直接从芯片手册上读取，Idrive是栅极充电电流，由使用的驱动电路结构确定.MOSFET管在导通时，其行为就像是一个低阻值的电阻，所以阻性损耗的计算是比较容易的.由欧姆定律可得：

(8)

这样，在一次开关过程中，MOSFET管的功耗可以近似表示为：

(9)

1.3 基于叠加原理计算功率管的节点温升

当一连串的脉冲功率应用于功率管时，功率管的最大温度往往发生在最后一个脉冲的结尾处，此时的功率管节点峰值温度是前面所有脉冲功率作用的总和.“叠加”原理把此时的节点温度看作是所有单个脉冲激励的综合响应，包括瞬态热阻和等效功耗.

ΔT(tn,end)=

(10)

图4所示是4个功率脉冲作用于功率管时，计算功率管的峰值节点温度.

在第4个脉冲结束处(即t7时刻)的峰值节点温升ΔT可以按下式计算：

(11)

2 模型预测精度试验验证

汽车控制器内的大多数半导体功率开关器件都工作在PWM开关状态下，提出的模型就比较适合预测这种情况下的瞬态峰值节点温度.模型选用电控柴油机电磁阀驱动电路作为一个应用案例，来验证模型对瞬态温度的预测精度.

2.1 试验方案

现代的电控柴油机普遍采用高速、强力电磁阀来控制燃油喷射.为了实现电磁阀的高速响应特性，电控柴油机电磁阀普遍采用高电压、大电流来驱动，电控柴油机ECU的电磁阀驱动电路拓扑结构如图5所示.电磁阀的驱动电路普遍采用双电压和“提升-保持”型的驱动电流，如图6所示．开始时，用高电压驱动电磁阀快速打开，达到提升峰值电流(15 A)时还要保持500 μs以保证针阀可靠落座，随后，为了减小电磁阀发热，驱动电流转为保持电流(5 A)，直到喷油脉宽结束.为了达到稳定的驱动电流，开关功率管的PWM调制方式被广泛采用，这会导致MOSFET管两种主要的功耗模式，开关损耗和阻性损耗.

(a) 4个功率脉冲

(b) 等效的多个激励脉冲

(c) 单个脉冲激励下的节点温度响应

(d) 叠加原理计算峰值节点温度Tj

(e) 对应不同脉冲下的瞬态热阻

图5 电磁阀驱动电路拓扑结构

图6 驱动电流波形及其等效功耗

MOSFET管的峰值节点温度不但和喷油脉宽有关，还和喷油周期有关.而喷油脉宽和周期又是发动机转速和加速踏板位置的函数，他们的关系如图7所示，从图中可以看出，在100%加速踏板位置处(ACCP: Accelerator pedal position)，喷油脉宽最大.在一次喷油过程中，对应缸的低边控制开关(LS1～LS6)一直打开，所以低边开关主要产生阻性损耗，高压控制开关HS80V只在提升电流的上升阶段打开一段很小的时间，一旦电流达到峰值提升电流，高压控制开关就关闭；而蓄电池控制开关HS在提升和保持电流阶段一直处于PWM调制状态，在PWM调制时，MOSFET管两端承受着急剧变化的电压和电流，产生巨大的功率损耗，并且相对于底边控制开关(LS1～LS6，发动机一个工作循环内开关一次)，蓄电池控制开关HS在一个工作循环内要PWM调制6次.所以，高边开关HS是驱动电路中温升最高的功率器件，下面的温升分析都是基于高边开关HS进行的.

Engine speed/(r·min-1)

从图6中的驱动电流波形来看，在一个喷油脉宽Tpulse内，功率管的峰值节点温度应出现在喷油脉宽结束时，这段时间内，除去电流从0上升到提升峰值电流的时间ton和从提升峰值电流下降到保持电流的时间toff，再除以电流振荡时的上升时间tr和下降时间tf，就可以算出在一个喷油脉宽内等效的脉冲功率个数n.

(12)

(13)

(14)

(15)

式中Ith代表提升和保持阶段的电流峰值限值，ΔI代表电流振荡幅度.从而在一个喷油脉宽Tpulse内，功率管开关次数n可以表示为：

(16)

模型需要的输入参数如表1所示.

表1 温度预测模型的输入参数

在实际测量MOSFET管的节点温度时，不可能把一个温度计放置到MOSFET管的节点位置处，测量MOSFET管的节点温度一般都是通过测量管子的一个温度敏感参数来获得.MOSFET管体内的并联二极管的前向电压降就是一个温度敏感参数，通过测量MOSFET管体内并联二极管两端的压降就可以算出MOSFET管的节点温度，从而得到MOSFET管的节点温升[8]：

25-Tmb[℃]

(17)

其中Tmb为管子的焊接基温度，也就是PCB板的温度.

2.2 试验结果

图8是MOSFET管节点温度测量方案，即并联二极管前向压降测量电路．图9是测试台架，包括高压共轨柴油机控制器ECU、基于图8方案的MOSFET并联二极管前向压降测量板等．表2给出了在不同发动机转速下的MOSFET管温升模型预测值和试验测量值(对应100%油门开度)，可见在300～2 750 r/min的发动机转速范围内，模型均能对MOSFET管的温升做出准确预测，预测误差最大不超过2.3%，模型有比较高的预测精度.

图8 MOSFET管的节点温度测量方案

图9 温度模型预测精度验证的试验台架

表2 模型预测和试验测量温升结果对比

3 结 论

由于温度对汽车控制器ECU工作稳定性和可靠性的重要影响，所以在ECU设计制作之前对功率器件做温度预测以确保其峰值节点工作温度不超过最高安全工作温度范围，就非常有必要.基于一些从器件手册很容易获取的参数和具体的驱动电路结构，本文提出的预测模型可以很精确地预测出工作在PWM开关脉冲方式下的功率管峰值节点工作温度，并且模型预测精度经过了试验验证，预测误差最大不超过2.3%.

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