汽车感性负载反电动势抑制技术浅析

摘 要：在汽车电子电器中反电动势的存在比较广泛，反电动势有时对汽车电子电器产生一定危害，严重时将导致损伤周围电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。结合反电动势大小采用相应方法和措施，深入研究反电动势抑制技术，并提出解决汽车感性负载常见反电动势的方法，应用电路和产品验证，实际效果较好，对于提高汽车电子电器可靠性设计具有十分重要的作用。

关键词：反电动势抑制技术;汽车感性负载;汽车电子

0 前言

在汽车控制器和负载中有继电器、线束及控制模块中的电感等感性器件和门锁电机、天窗电机、玻璃升降电机等感性负载。启动或停止感性负载时，将与电机启动或关闭会产生相反电势，即反电动势。反电动势将干扰汽车环境，严重时造成减弱汽车电子电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电动势，使电子电器的运行环境可靠稳定。汽车中的驱动电机和灯负载使用很多继电器，若未能抑制继电器线圈的反向电动势，线圈两端将产生超过100伏的反电动势能，若在新能源汽车的高压继电器中将产生更严重的反向电动势。因此，汽车电子电器的EMC试验对电子电器辐射及传导发射的要求比较严格，在IEC标准中的门限值要求比较明确。

1 反电动势的主要产生原理

在汽车零部件中的负载有很多，负载类型通常分为阻性、容性及感性负载三类，负载的某种特性不是绝对的，通常组合了多种特性。感性负载的特性是对电流变化具有抵抗作用，感性负载在电流变化时具有阻碍电流变化的表现，诸如启动电机通电时，产生反电动势对原来电压具有抵抗作用。产生的反电动势为：U（t） = Ldi/dt，其中U（t）为产生的反电动势，di/dt为电流变化率，L为感性负载电感值。由此可知，电流变化率与反电动势具有正相关关系，为使电感的反电动势得到消除或有效抑制，可降低电流变化率，使产生的反电动势有回路释放，通常电流变化率难以改变，因此主要采取产生的反电动势有释放回路的方式对反电势进行消除或有效抑制。

2 抑制反电动势的主要措施

（1）纯电容吸收电路。电源低压降前段及后端在纯电容吸收电路中都是纯电容吸收典型电路，主要用于对较小反电动势的吸收，诸如电路中的滤波、去耦等电容比较常见。该电路在较远距离感性负载的芯片级保护中应用，使尖峰、毛刺等干扰消除，针对产生反电动势较大的感性负载，应用大功率电阻与电容配合使用，效果才较为理想。

（2）纯电阻吸收电路。可用电阻在较小的感性负载周围将其产生的反电动势能量吸收，诸如将电阻并联在继电器线包两端，利用电阻回路将断电时继电器线包产生在线包两端的电动势释放掉。类似电路中也有对线包产生的反电动势采用二极管直接释放的方法，该方法更快，但容易造成傷害继电器触点的情况较严重。该电路对于继电器线包、电磁铁等较小感值的负载较为适用，不管是纯电阻还是纯电容吸收，都具有基本相同的尖脉冲表现，抑制及消除脉冲。

（3）TVS二极管+功率电阻吸收电路。TVS二极管也被称为瞬态抑制二极管，是一种应用比较普遍的新型高效电路保护器件，可达到亚纳秒级的极快响应时间，吸收浪涌能力较高。通常应用于汽车电子控制器的电路中，电源前端对源自电源线上的干扰脉冲进行吸收，脉冲类型通常具有较大的脉冲幅值、较短时间及较小的脉冲能量。达到雪崩电压时的反电动势脉冲开始启动反向工作电压，若电压达TVS箝位电压时完全开启TVS，被箝位在TVS箝位电压值的反电动势，在箝位电压下TVS功率不同具有不同的最大电流。通常为避免TVS受到损坏，采用功率电阻与TVS配合在电路中使用，使脉冲干扰幅值降低。电路对流过功率电阻的最大电流进行计算，以免功率电阻产生过热问题。

（4）RC+压敏电阻吸收电路。在产品中RC电路经常用于吸收尖峰脉冲，通过调整RC值可调整吸收脉冲大小，但因受到电阻和电容所限，该值不可无限制大。此外，因受电容值所限，该方法在一定程度上限制了吸收反电动势，因此，RC与压敏电阻相配合具有更明显的效果，RC完成吸收脉冲尖峰毛刺的功能，压敏电阻完成吸收较大幅值、较强能量的脉冲。RC配合压敏电阻可有效吸收复杂感性负载产生的反电动势。

（5）MOSFET反电动势进行吸收。冷却风扇在汽车零部件中具有较大的感性负载，功率通常处于350—500瓦之间，在启动和停止时风扇产生较大的反电动势，若不能妥善处理将导致周围电子元器受到的伤害较大，严重时将导致器件功能失效甚至消失。在MOSFET吸收电路中，PWM工作模式的冷却风扇控制器通过倍压电路将产生比整车的battery电压高，反电势能量可获得一定释放。若风扇转动全速100%时，电路中未形成倍压，也不会产生反电动势能量。但若此时突然停止风扇，电路中将产生较大能量的反电动势，这时电路中因电压聚集未能完全释放，使电路处于微开通状态，在短时间内状态较为危险。冷却风扇有时将产生MOSFET点击穿的情况，经对风扇分析测试后，结果显示其主要的可能性为：一是在全速转动时，风扇的VGS处于2—3伏之间的微开状态，若突然断电，风扇电路中的一端将产生的反电动势较强，在微开通下导致其发生损坏;二是脉冲启动原因，启动发动机时，将拉低电平电源电压，处于微开通状态的电路，电压处于2—3 伏之间，这时流过电路一端的反电动势较大，使其存在一定风险。为使该问题得到妥善解决，可采用MCU独立控制倍压电路中的PWM信号，开始启动风扇电机后，一直存在PWM信号，若电路中存在反电动势，可通过电路释放;还可在全速转动的风扇中，采用软件打开电路并释放风扇产生的反电动势。

3 总结

综上所述，本文与汽车电子电器工作的实际环境相结合，提出解决产生于不同感性负载的反电动势的具体方法，同时开展了对比测试，对应用抑制反电动势措施的有效性进行了证明，在理论上为汽车电子电器产品设计提供了重要依据，为试验提供了技术支撑，在汽车电子电器设计中对于提高抗干扰性提供了重要参考依据。

参考文献：

[1]王赢聪.汽车电子控制器电路板电磁干扰分析与抑制[D].重庆大学，2016.

[2]宋保林，陶银鹏.纯电动汽车电机控制器传导性电磁干扰的抑制[J].汽车工程，2017（08）.

[3]裴春松.纯电动汽车电磁兼容分析与电磁干扰抑制[J].汽车电器，2016（12）.

[4]严鑫.关于汽车电器测试中电子负载选择分析[J].汽车实用技术，2018（09）.

[5]唐庆，王灿，贺赟等.容性负载和感性负载测量方法[J].实验技术与管理，2016（15）.

[6]张晓光，焦丰，郭祥玉.切断感性负载时的电磁兼容性探讨[J].电源技术应用，2018（04）.

作者简介：曹稷（1984-），男，辽宁锦州人，本科，研究方向：汽车电子信息。