КАТАЛОГ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ
Паccивные элементы
Варисторы
Конденсаторы
Конденсаторы SMD
Конденсаторы керамические SMD
Конденсаторы электролитические SMD
Конденсаторы танталовые SMD
Конденсаторы выводные
Электролитические конденсаторы купить в Киеве, Украина
Конденсаторы пленочные
Конденсаторы высоковольтные
Конденсаторы танталовые
Ионисторы
Индуктивности и дроссели
Индуктивности SMD
Индуктивности выводные (дросcели)
Кварц. резонаторы
Кварцевые резонаторы выводные
Кварцевые резонаторы SMD
Резисторы
Резисторы SMD
резисторы 0603
резисторы 0805
резисторы 1206
резисторы 1210
резисторы 2010
резисторы 2512
резисторы SMD
Резисторы выводные
Резисторы выводные аксиальные
Резисторы подстроечные
Резисторы мощные >20Вт
Резисторы керамические
Резисторы разные
Диоди и стабилитроны
Выпрямительные диоды купить Киев
Диоды защитные
Диодные модули
Стабилитроны
Транзисторы
Транзисторы
Транзисторы биполярные
Транзисторы полевые
Транзисторы IGBT
Транзисторы СВЧ
Тиристоры
Оптоэлектроника
Оптические приборы
Оптопары
Оптические трансиверы
Светодиоды
Светодиоды выводные
Светодиоды SMD
Светодиодные ленты
Светодиодные блоки
Светодиодные модули
Светодиодные кластеры
Светодиоды ИК
Фотодиоды
Фотоприёмники
Индикаторы и дисплеи
Индикаторы
Дисплеи LCD
Дисплеи TFT
Панели оператора
Микросхемы
Микросхемы
Микросхемы акселерометры
Микросхемы АЦП
Микросхемы ЦАП
Микросхемы измерительные
Микросхемы генераторы-синтезаторы частоты
Микросхемы генераторы частоты
Микросхемы драйверы
Микросхемы ИОН
Микросхемы зарядные для аккумуляторов
Микросхемы интерфейса
Микросхемы интегральные
Микросхемы изоляторы сигналов
Микросхемы изоляторы цифрового сигнала
Микросхемы ключи
Микросхемы интеллектуальные ключи
Коммутаторы
Микросхемы коммутаторы аналоговых сигналов
Микросхемы коммутаторы
Микроконтроллеры купить Киев
Микросхемы контроллеры
Микроконтроллеры разные
Микросхемы микроконтроллеры
Микросхемы микроконтроллеры разные
Операционные усилители
Компараторы
Микросхемы стабилизаторы
Микросхемы напряжения
Микросхемы регуляторы линейные
Линейные регуляторы
Микросхемы регуляторы разные
Микросхемы импульса
Микросхемы логики разные
Микросхемы логические
Микросхемы логики
Микросхемы логики еще
Микросхемы логические программируемые
Микросхемы памяти
Микросхемы усилители
Микросхемы усилительные
Микросхемы приёмо-передатчики
Микросхемы приёмо-передатчики разные
Микросхемы DC интеллектуальные ключи
Микросхемы датчики температуры
Микросхемы AD
Микросхемы ПЛИС та ПАИС
Микросхемы времени
Модули ЦПУ
Микропроцессоры
Преобразователи
Преобразователи модульные
Преобразователи интегральные
Преобразователи AC/DC модульные
Преобразователи DC/DC модульные
Преобразователи частотные
Микросхемы преобразователи
Преобразователи разные
Элементы питания
Аккумуляторы
Батарейки
Предохранители
Предохранители
Держатели предохранителя
Предохранители самовостанавливающиеся
Звукоизлучатели
Силовые модули и блоки
Силовие модули
Силовые блоки разные
Силовые выключатели
Приёмо-передатчики
Реле, кнопки, переключатели
Реле
Реле твердотельные
Реле времени
Кнопки
Разъёмы, клемники, соединители
Разъёмы
Разъёмы другие
Контакторы
Клеммники
Соединители
Коннекторы SIM
Корпусы, вентиляторы, радиаторы
Корпусы
Вентиляторы
Радиаторы
Трансформаторы
Антенны
Антенны
Антенные переходники
Датчики, энкодеры, измерители
Энкодеры
Датчики влажности
Датчики индуктивные
Датчики положения
Датчики положения оптические
Датчики температуры
Датчики давления
Датчики тока
Датчики разные
Измерители-регуляторы температуры и физ.величин
Расходомеры
Средства для разработки
Средства для разработчика
Наборы (киты)
Программаторы
Ферриты
Разное

Силовые ключи верхнего плеча Power PROFET для автомобилей

10.12.2020

infineon_power_profet_800x340В руководстве представлена информация, которая дополняет техническую спецификацию силовых ключей семейства Power PROFET производства Infineon. Рассмотрены назначение и принцип действия ряда функций, реализованных в этих ключах, а также функционирование систем, использующих силовые ключи BTS50010-1TAD, BTS50015-1TAD, BTS50020-1TAD и BTS50025-1TAD.

Интеллектуальные силовые ключи верхнего плеча производства компании Infineon предназначены для управления всеми типами резистивных, индуктивных и емкостных нагрузок. Эти компоненты, имеющие функции защиты и диагностики, были разработаны специально для управления нагрузками в жестких условиях эксплуатации, характерных для автотранспорта.

Семейство Power PROFET расширяет ассортимент интеллектуальных силовых ключей верхнего плеча, предлагаемых компанией Infineon, моделями, которые предназначены главным образом для применения в сильноточном оборудовании. Благодаря малому сопротивлению RDS (ON), лежащему в диапазоне от 1.0 до 2.5 мОм, ключи семейства Power PROFET могут коммутировать токи от 20 до 40 А при температурах и условиях охлаждения, характерных для автотранспорта.

Чтобы ключи семейства Power PROFET можно было применять в устройствах, работающих с большими токами, они снабжен:

  • Простым и гибким управлением;
  • Аналоговой схемой измерения тока нагрузки с возможностью увеличения точности измерений после калибровки;
  • Мощным силовым каскадом, способным управлять в циклическом режиме сильноточными нагрузками с большими бросками тока при коммутации или обладающими большой индуктивностью;
  • Автономной встроенной схемой защиты, которая сохраняет работоспособность при высокой частоте возникновения аварийных ситуаций.

Примечание. Дальнейшая информация предоставляется исключительно в качестве рекомендаций; ее не следует рассматривать как официальное описание или как гарантию определенных функциональных возможностей, состояния или качества какого бы то ни было устройства.

Примечание. Дополнительные сведения о ключах верхнего плеча с функциями диагностики и защиты можно найти в руководстве по применению «What the designer should know: Short introduction to PROFET™ +12V».

Примечание. Методика калибровки схемы измерения тока описана в руководстве по применению «Improved SENSE Calibration and Benefits Guide».

Управление устройством

Силовыми ключами Power PROFET можно легко управлять, изменяя напряжение на входе IN.

Простое и гибкое управление

Для управления ключами семейства Power PROFET и для диагностики их состояния предполагается применять преимущественно локальные (расположенные на одной плате с ключом) микроконтроллеры. Такая архитектура традиционно используется не только в устройствах наподобие блоков управления кузовным электрооборудованием (BCM), но и в интеллектуальных электронных блоках управления (ECU, ЭБУ) или электрораспределительных устройствах (PDC).

Типичная схема управления интеллектуальным ключом показана на рисунке 1.

ris_1-9 (1)

Рис. 1. Локальное управление с использованием микроконтроллера

Локальное управление обычно реализуется с использованием микроконтроллера. Этот микроконтроллер, питание которого обеспечивает стабилизатор напряжения (VREG), может связываться с внешним миром посредством трансивера (TRX). Для управления ключом Power PROFET используется линия порта ввода/вывода общего назначения (GPIO), которая соединяется со входом IN ключа. Ключи Power PROFET имеют такие пороговые значения высокого и низкого уровней входного сигнала, что для управления ими можно использовать микроконтроллеры с напряжением питания как 5, так и 3.3 В.

Для получения дополнительных сведений о пороговых значениях входного сигнала обратитесь к технической спецификации (параметры P_6.1.23 и P_6.1.24).

Семейство Power PROFET также поддерживает внешнее управление и диагностику. Такая схема может использоваться для управления ключами, входящими в состав миниатюрных модулей управления нагрузкой. Типичными примерами таких модулей могут служить втычные (автомобильного типа) твердотельные реле, а также другие разновидности небольших релейных блоков, выполненные на основе твердотельных реле.

Схема управления, в которой управляющий элемент находится в отдельном ЭБУ, приведена на рисунке 2.

ris_2-10 (2)

Рис. 2. Внешнее управление

Если для управления используется отдельный ЭБУ, то не исключена вероятность замыкания управляющего провода, соединяющего ЭБУ и ключ Power PROFET, на массу или шину питания (плюс аккумулятора). Чтобы силовой ключ в этом случае не вышел из строя, его вход IN сделан устойчивым к высокому напряжению (см. также техническую спецификацию, параметр P_4.1.7).

При такой конфигурации системы управления особое внимание следует уделить возможным токам утечки, приводящим к появлению на линии управления потенциала VBAT в то время, когда выход ЭБУ удерживает ключ в закрытом состоянии. Чтобы можно было гарантировать надежное закрытие силового ключа, ток утечки с управляющего провода на шину питания (ISystem (Leakage-To-VBAT)) не должен превышать значения параметра P_6.1.26. Если же это условие может нарушаться, то необходимо установить резистор между выводами IN и GND ключа. Сопротивление этого резистора R(IN-to-GND) должно быть таким, чтобы выполнялось неравенство R(IN-to-GND) ← MAX_VIN(L) / ISystem(Leakage-To-VBAT), где MAX_VIN(L) = 0.8 В (см. параметр P_6.1.23).

Благодаря тому, что вход ключей семейства Power PROFET устойчив к высокому напряжению, для управления ими можно использовать более простую схему, содержащую меньшее количество соединений по сравнению со схемой на рисунке 2. В текущем варианте для управления модулем требуется два провода: один провод от выходного ключа удаленного блока управления, подключающего его к шине питания, а второй – общий провод ключа Power PROFET™ и логической схемы модуля. В упрощенном варианте достаточно одного провода – в этом случае вход IN ключа Power PROFET подключается к линии V_BAT, а управление силовым ключом осуществляется путем коммутации вывода GND ключа. При использовании такого решения большое значение имеет то, каким образом вывод GND ключа Power PROFET подключается к разъему модуля, поэтому при выборе такого варианта управления рекомендуется оценить характеристики системы. Кроме того, следует убедиться, что напряжения на выводах силового ключа ни при каких условиях не превысят максимально допустимых значений.

При диагностике состояния ключа внешним блоком не исключена возможность замыкания провода, по которому передается сигнал диагностики, на массу или на шину питания. Чтобы силовой ключ Power PROFET в этом случае не вышел из строя, его вход для подключения токового шунта (вывод IS) тоже обладает устойчивостью к высокому напряжению (смотреть техническую спецификацию, параметр P_4.1.10).

Управление ключом при переходных процессах на шине питания

Необходимо быть особенно внимательным, если ключ Power PROFET предполагается использовать в таких системах, где

  • возможны значительные просадки напряжения на шине питания, кратковременное пропадание напряжения или даже временное отключение аккумулятора, при этом
  • управляющий сигнал продолжает удерживать ключ в открытом состоянии (т.е. условие VIN ≥ VIN(H) выполняется даже во время такого события) и
  • ожидается, что ключ PowerPROFET, на вход которого подается сигнал открытия, переключится в открытое состояние сразу же, как только напряжение аккумулятора восстановится до необходимой величины.

Работа устройства в такой ситуации описывается в параграфе 5.3.3 и поясняется рисунком 20 технической спецификации. Для повторного открытия ключа после восстановления напряжения питания, необходимо заново подать на вход IN ключа сигнал ВЫСОКОГО уровня (VIN ≥ VIN(H)) после того, как напряжение аккумулятора достигнет значения VS(EXT), min (смотреть параметр P_4.2.2).

Чтобы обеспечить подачу управляющих сигналов в требуемой последовательности:

  1. Рекомендуется установить конденсатор CIN. За дополнительными сведениями обратитесь к разделу 7 «Application Information» технической спецификации, в котором приведена типовая схема включения устройства (рисунок 31), а также перечень элементов (таблица 7). Обратите внимание, что цепочку CINRIN рекомендуется устанавливать по крайней мере для того, чтобы обеспечить соответствие стандартам ISO7637-1 и ISO7637-2, особенно в части устойчивости к испытательному импульсу 1 при открытом ключе. Емкость CIN в общем случае зависит от величины управляющего напряжения (в технической спецификации указано значение для пятивольтового сигнала управления). Номиналы RIN и CIN следует выбирать такими, чтобы при достижении напряжением VS уровня VS(EXT), min. после подачи питания напряжение VIN не превышало бы значения VIN(H).
  2. Как вариант, можно повторно подать сигнал ВЫСОКОГО уровня на вход IN после того как напряжение аккумулятора снова достигнет требуемой величины, то есть когда будет выполняться условие VS ≥ MIN_VS(EXT) (см. параметр P2.2). Для этого микроконтроллер должен отслеживать напряжение аккумулятора и формировать описанную выше последовательность сигналов после его восстановления.

Силовой каскад

Функции защиты

Ключи Power PROFET имеют встроенную защиту от избыточных токов и напряжений, а также от перегрева.

Защита от перегрузки по току

Чтобы обеспечить высочайший уровень надежности даже при возникновении таких аварийных ситуаций, как протекание сверхтока или короткое замыкание, в ключах семейства Power PROFET предусмотрена схема максимальной токовой защиты, реагирующая на превышение током порогового значения, и защелкивающаяся при каждом срабатывании.

Каждый раз, когда ток нагрузки превышает уровень срабатывания схемы защиты (IL ≥ ICL(0), смотреть параметр P_6.1.35), производится аварийное отключение устройства, но не сразу, а по истечении времени задержки отключения при перегрузке tOFF(TRIP) (см. параметр P_6.1.36). Из-за наличия этой задержки может наблюдаться выброс тока, величина которого зависит от скорости изменения тока нагрузки dIL/dt. В справочной спецификации для параметра P_6.1.35 приведено экспериментально полученное значение амплитуды этого выброса для определенного значения dIL/dt.

Любое срабатывание схемы защиты вызывает отключение силового каскада (закрытие ключа) и его фиксацию в этом состоянии. Для сброса схемы защиты в исходное состояние необходимо подать на вход IN ключа Power PROFET напряжение низкого уровня на время не менее tIN(RESETDELAY) (см. техническую спецификацию, параметр P_6.1.53). Благодаря наличию максимальной токовой защиты ключи Power PROFET позволяют коммутировать короткозамкнутую нагрузку в циклическом режиме (см. техническую спецификацию, параметр P_4.1.4). При испытаниях на соответствие стандарту AEC-Q100-012, число циклов коммутации может достигать 1 миллиона.

Защита от перегрева

Для предотвращения нагрева кристалла до критических температур в ключах Power PROFET предусмотрена схема тепловой защиты.

При увеличении температуры кристалла до критического значения (TJ ≥ TJ(TRIP), см. параметр P_6.1.37) производится защитное отключение устройства с фиксацией этого состояния. Для сброса схемы защиты в исходное состояние необходимо подать на вход IN ключа Power PROFET напряжение низкого уровня на время не менее tIN(RESETDELAY) (см. техническую спецификацию, параметр P_6.1.53).

Для корректной работы схемы защиты мощность, рассеиваемая ключом, не должна превышать максимального значения средней рассеиваемой мощности PTOT (параметр P_4.1.15). Особенно важно учитывать этот параметр при управлении нагрузкой в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ).

Срабатывание любой из вышеуказанных схем защиты (от перегрузки по току или от перегрева) активирует режим ускоренного отключения (см. параграф 5.1.7 «Advanced switch-off behavior» технической спецификации). В этом режиме отключение силового каскада производится почти в 10 раз быстрее, чем при работе в нормальном режиме.

Защита от перенапряжения

Для достижения баланса между такими ключевыми характеристиками, как низкое сопротивление в открытом состоянии RDS(ON), способность выдерживать большие токи нагрузки в переходном и установившемся режимах, а также отличные переходные тепловые характеристики для динамического управления нагрузкой, обеспечивающие высокую энергоемкость для работы в условиях однократного и многократного ограничения, в ключах семейства Power PROFET реализован фирменный механизм Infineon Smart Clamping (рисунок 3). Этот механизм изменяет величину напряжения ограничения силового каскада VDS(CL) прямо пропорционально температуре кристалла TJ и току нагрузки IL. Соответственно, чем выше TJ и IL, тем больше напряжение фиксации VDS(CL). Этот механизм обеспечивает:

  • Равномерное рассеивание мощности на силовом каскаде Power PROFET во время обесточивания индуктивных нагрузок, что улучшает значения параметров EAS и EAR;
  • Автоматическую установку оптимальной величины напряжения ограничения;
  • Возможность ограничения перенапряжений, возникающих, например, при «прикуривании» двигателя от внешнего источника, а также возможность активного ограничения переходных перенапряжений с большой скоростью нарастания (характерных для тестовых импульсов ISO типа 2a, 2b и 3b) на мощной нагрузке и силовом каскаде;
  • Возможность работы при сбросе нагрузки (тестовый импульс ISO типа 5b). При протекании тока через MOSFET в режиме ограничения температура перехода увеличивается, а следовательно, увеличивается и напряжение ограничения, которое будет больше напряжения сброса нагрузки.

ris_3-8

Рис. 3. Защита от перенапряжения

Работа при аварийных ситуациях

Для использования возможностей ключей Power PROFET, обеспечивающих их живучесть в аварийных ситуациях, включая устойчивость к короткому замыканию (nRSC1, параметр P_4.1.4), необходимо следовать следующим рекомендациям:

  • Частота открытия ключа при наличии неисправности не должна превышать максимального значения, определяемого параметром ffault (параметр P1.9). Если для управления нагрузкой используется режим ШИМ, то при обнаружении неисправности рекомендуется уменьшить частоту повторных включений с fPWM (номинальное значение) до значения ffault. После устранения неисправности частоту ШИМ можно будет восстановить до номинального значения fPWM.
  • Ток одиночного импульса не должен превышать значения, определяемого графиком зависимости максимального тока одиночного импульса от длительности этого импульса (см. рисунок 4 технической спецификации). Если ключ PowerPROFET коммутирует большой ток, а система охлаждения обеспечивает низкое суммарное тепловое сопротивление RTH(JA), рекомендуется использовать функцию измерения тока нагрузки для обеспечения безопасного соотношения величины тока к длительности импульса.
  • Чтобы исключить нежелательный автоматический перезапуск ключа, который может произойти по причине сильных колебаний напряжения в цепи питания, возникающих при закрытии ключа из-за короткого замыкания, в схему при необходимости можно добавить описанную далее демпфирующую RC-цепочку.

Работа при пониженном напряжении питания

В конструкции ключей семейства Power PROFET применены специальные технические решения, обеспечивающие работоспособность ключа при пониженном напряжении питания. Ключи Power PROFET остаются работоспособными даже при просадке напряжения питания до 3.2 В (в соответствии с требованиями немецкого стандарта OEM LV124). С другой стороны, тот же стандарт требует, чтобы при таком низком напряжении ключ оставался открытым в течение 19 мс. Однако ключ Power PROFET гарантированно может удерживаться в открытом состоянии не дольше 3.6 мс (зависит от конкретного экземпляра), после чего он закрывается. Повторно ключ откроется, как только напряжение питания снова достигнет требуемого значения (VS ≥ MIN_VS(EXT)).

Периодическое ограничение напряжения

Благодаря техническим решениям, использованным при реализации схемы управления силовым каскадом ключей семейства Power PROFET, эти ключи имеют превосходные показатели максимальной рассеиваемой энергии одиночных (EAS) и повторяющихся (EAR) импульсов. В технической спецификации значения этих параметров приводятся для конкретных величин начального тока нагрузки IL(0) и начальной температуры перехода TJ(0) (см. техническую спецификацию, параметры P_4.1.12, P_4.1.13 и P_4.1.14). А приведенные в технической спецификации график зависимости EAS от тока нагрузки IL (рисунок 5) и график зависимости EAR от начальной температуры перехода TJ(0) (рисунок 6) позволяют определить значения параметров EAS и EAR для разных условий работы ключа.

Значения параметра EAR гарантируются для определенного числа циклов коммутации. Конкретно для ключей семейства Power PROFET значения параметра EAR, приведенные в технической спецификации, получены для 1 миллиона циклов.

Превышение значений параметров EAS или EAR влечет за собой чрезмерный нагрев кристалла, что приведет либо к моментальному выходу ключа из строя, либо к его деградации, сопровождающейся ухудшением электрических параметров и сокращением срока службы.

Управление активными нагрузками

При использовании ключа для коммутации электродвигателей или ЭБУ, способных генерировать напряжение на выводе OUT, необходимо уделять особое внимание ограничению максимальной скорости нарастания напряжения «сток-исток» dVDS/dt. Кроме того, следует учитывать, что при низких напряжениях VS и VDS ключ может не открыться (см. параграф 5.1.4 «Switching Active Loads» технической спецификации).

Обеспечение отказоустойчивой работы

Обрыв цепи питания, обрыв цепи нагрузки

В процессе эксплуатации ЭБУ вполне возможно возникновение следующих ситуаций:

  • Периодическое или полное отсоединение аккумулятора при открытом ключе PowerPROFET, управляющем сильноточной нагрузкой;
  • Периодическое или полное отсоединение сильноточной нагрузки при открытом ключе PowerPROFET.

Поэтому рекомендуется принимать специальные меры, исключающие появление критических напряжений на выводах ключа Power PROFET. Использованные решения должны гарантировать, что параметры ключа во время его эксплуатации не выйдут за допустимые границы (см. подраздел 4.1 «Absolute Maximum Ratings», таблица 2 технической спецификации).

Обрыв цепи питания (отсоединение аккумулятора)

Данная ситуация изображена на рисунке 4.

ris_4-8

Рис. 4. Обрыв цепи питания

Путь, по которому ток нагрузки протекает до момента отсоединения аккумулятора, показан на рисунке 4 пунктиром красного цвета: от плюсовой клеммы аккумулятора, по проводу питания, через разъем питания ЭБУ, через печатную плату ЭБУ, через силовой каскад ключа Power PROFET, через разъем подключения нагрузки, через нагрузку, через массу/шасси на минусовую клемму аккумулятора.

Если отключение аккумулятора произойдет в тот момент, когда по цепи питания будет течь большой ток, то из-за энергии, накопленной в индуктивности цепи нагрузки, потенциал на клемме питания ЭБУ, а также на выводах VS и OUT ключа Power PROFET опустится ниже потенциала общего провода. Соответственно, необходимо обеспечить обходной путь протекания тока нагрузки, который позволил бы ограничить отрицательное напряжение на выводе VS ключа безопасным уровнем до того момента, пока ток нагрузки не станет равным нулю. Такой обходной путь можно реализовать различными способами:

  • Ограничивая напряжение на выводе VS относительно общего провода (вариант (A) на рисунке 4). Путь протекания тока для этого варианта отмечен голубой стрелкой.
  • Ограничивая напряжение на выводе OUT относительно общего провода (вариант (B) на рисунке 4). Путь протекания тока для этого варианта отмечен фиолетовой стрелкой.
  • Используя другие схемные решения, которые позволят ограничить напряжение на выводе VS относительно общего провода.

Все защитные схемы должны рассчитываться таким образом, чтобы параметры ключа Power PROFET, особенно P_4.1.2 и P_4.1.21, не превысили максимально допустимых значений.

Обрыв в цепи нагрузки (отсоединение нагрузки)

Данная ситуация изображена на рисунке 5.

ris_5-8

Рис. 5. Обрыв цепи нагрузки

Путь, по которому ток нагрузки протекает до момента отключения нагрузки, показан на рисунке 5 пунктиром красного цвета: от плюсовой клеммы аккумулятора, по проводу питания, через разъем питания ЭБУ, через печатную плату ЭБУ, через силовой каскад ключа Power PROFET, через разъем подключения нагрузки, через нагрузку, через массу/шасси на минусовую клемму аккумулятора.

Если отключение нагрузки произойдет в тот момент, когда по цепи питания будет течь большой ток, то потенциал на клемме подключения нагрузки ЭБУ, а также на выводах VS и OUT ключа Power PROFET поднимется выше потенциала плюсовой клеммы аккумулятора.

На рисунке 6 показаны переходные процессы, происходящие в схеме при использовании ключа BTS50010-1TAD, управляющего нагрузкой 0.5 Ом при VBAT = 13.5 В (индуктивность и сопротивление провода от источника питания составляют 5 мкГн и 10 мОм соответственно).

ris_6

Рис. 6. Обрыв цепи нагрузки – пример осциллограмм для BTS50010-1TAD

Как видно из рисунка, даже при относительно небольшом (около 25 А) начальном токе нагрузки (CH7, синяя кривая) напряжение на выводах VS (CH1, желтая кривая) и OUT (CH3, сиреневая кривая) ключа возрастает до 25 В.

Чтобы предотвратить появление на выводах VS и OUT ключа Power PROFET чрезмерно высоких напряжений, необходимо предусмотреть обходной путь протекания тока нагрузки или демпфирование индуктивности цепи питания. Такой обходной путь можно организовать следующим образом:

  • Ограничивая напряжение на выводе VS относительно общего провода (голубая стрелка на рисунке 5)
  • Используя другие решения, позволяющие ограничить напряжение на выводе VS относительно общего провода.

Все защитные схемы должны рассчитываться таким образом, чтобы параметры ключа Power PROFET, включая P_6.1.33, не превысили максимально допустимых значений.

Подавление колебаний в цепи питания

При определенных условиях эксплуатации может наблюдаться многократный перезапуск ключа Power PROFET после его отключения из-за короткого замыкания в цепи нагрузки, несмотря на то, что конструкция ключей семейства Power PROFET обеспечивает отключение силового каскада (закрытие ключа) при любой аварийной ситуации и фиксацию его в этом состоянии

Упомянутый многократный перезапуск ключа может наблюдаться в следующей ситуации:

  • В цепи нагрузки ключа PowerPROFET происходит короткое замыкание;
  • Ключ PowerPROFET обнаруживает состояние короткого замыкания, в результате чего срабатывает механизм защиты от перегрузки по току и инициируется режим ускоренного отключения;
  • Из-за резкого изменения тока, вызванного аварийным закрытием ключа PowerPROFET на выводе VS возникают затухающие колебания с большой амплитудой, обусловленные колебательным контуром, образованным паразитной индуктивностью провода питания и суммарной емкостью схемы между выводом VS ключа и общим проводом ЭБУ

Основные элементы схемы, участвующие в описанном процессе, показаны на рисунке 7.

ris_7-6 (1)

Рис. 7. Основные элементы схемы, влияющие на возникновение паразитных колебаний в цепи питания

Цепочка событий, которая может привести к «перезапуску» ключа Power PROFET после его аварийного закрытия из-за короткого замыкания, выглядит следующим образом:

  • При резком закрытии ключа в момент протекания очень большого тока короткого замыкания возбуждается паразитный колебательный контур между выводами VS и GND ЭБУ;
  • Возникают затухающие колебания, параметры которых определяются индуктивностью (Lобщ = Lпровода + LАКБ +…) и емкостью (CVSGND = CVS +…) этого колебательного контура, а также демпфирующим его сопротивлением (R = Rпровода + RАКБ +…);
  • Каждый раз, когда из-за возникших колебаний напряжение на выводе VS ключа PowerPROFET опускается ниже порогового значения и остается таким в течение некоторого времени, схема защиты ключа сбрасывается в исходное состояние из-за пропадания ее питания.

На основании большого числа исследований, включающих в себя снятие характеристик и моделирование работы ключа, можно сделать следующие выводы:

  • Невозможно четко определить граничные условия, при которых сочетания различных значений параметров элементов системы могут привести к возникновению колебаний на выводе VS ключа PowerPROFET, вызывающих его многократный перезапуск;
  • Среди параметров, которые влияют на возможность генерации колебаний на выводе VS:
    • напряжение аккумуляторной батареи (VBAT)
    • напряжение, подаваемое на вывод IN ключа PowerPROFET (VIN)
    • суммарное первичное сопротивление цепи питания, включая внутреннее сопротивление аккумулятора и сопротивление провода (RPRIM)
    • суммарная первичная индуктивность цепи питания, включая внутреннюю индуктивность аккумулятора и индуктивность провода (LPRIM)
    • суммарное вторичное сопротивление цепи питания, включая сопротивление провода и сопротивление короткого замыкания (RSEC)
    • суммарная вторичная индуктивность цепи питания, включая индуктивность провода (LSEC)
    • суммарное сопротивление цепи заземления ключа PowerPROFET (RGND)

На рисунках 8 и 9 приведена сводная информация о сочетаниях значений параметров, которые могут или не могут вызвать колебания на выводе VS, достаточные для сброса схемы защиты ключа Power PROFET и его повторного открытия.

 

ris_8-5

Рис. 8. Влияние параметров Rsec, Lsec, Vbat и Vin на возможность возникновения колебаний на выводе VS

ris_9-6 (1)

Рис. 9. Влияние параметров Rprim, Lprim, Vbat и Vin на возможность возникновения колебаний на выводе VS

Примечание. Рисунки 8 и 9 представляют собой «четырехмерную диаграмму». Каждый из рисунков содержит 9 (3 x 3) двухмерных диаграмм, при этом в каждой диаграмме изменяются только два параметра, а два других имеют фиксированное значение.
Во всех диаграммах одной матрицы изменяются одни и те же параметры, но при разных значениях фиксированных параметров.

Примечание. Цвет фона каждой двухмерной диаграммы представляет собой «статистический показатель», определяющий вероятность возникновения колебаний в данном «пространстве» параметров. Зеленый цвет указывает на то, что при таком сочетании значений перезапусков выявлено не было или наблюдались только единичные случаи. Изменение цвета с зеленого на желтый и, тем более, на красный свидетельствует об увеличении вероятности перезапуска.

Каждая «красная» точка на диаграмме соответствует такому сочетанию параметров, при котором наблюдался как минимум один перезапуск. Каждая «зеленая» точка соответствует такому сочетанию параметров, при котором ключ гарантированно останется в выключенном состоянии.

Хотя цвет фона играет роль статистического показателя, показывающего вероятность возникновения колебаний в данном пространстве параметров, необходимо отметить, что встречаются как «красные» условия перезапуска в зеленых областях, так и «зеленые» условия сохранения фиксированного состояния в желтых и красных областях. Следовательно, невозможно четко определить границу между теми сочетаниями параметров, при которых перезапуск ключа гарантированно не произойдет, и теми, при которых перезапуск ключа произойдет обязательно.

Поэтому настоятельно рекомендуется добавить в схему демпфирующую цепочку, которая гарантированно предотвратит генерацию колебаний на выводе VS.

Компания Infineon рекомендует два варианта демпфирующей цепочки.

Демпфирующая RC-цепочка – вариант А

ris_10-3 (3)

Рис. 10. Вариант А – демпфирующая RC-цепочка (демпфирование модуля)

Для эффективного подавления возможных колебаний на выводе VS можно применить демпфирующую цепочку, подключаемую между выводами VS и GND ключа (рисунок 10). Рекомендации по выбору параметров компонентов этой цепочки можно найти в технической спецификации (раздел 7 «Application Information», таблица 7 «Bill of material»).

Данный вариант демпфирующей цепочки имеет следующие достоинства:

  • Требуется всего одна RC-цепочка для каждого входа питания.
  • Такая RC-цепочка обеспечивает демпфирование и ограничение напряжения в цепях питания всех периферийных схем, питаемых от этой шины VS (включая переходные перенапряжения, вызванные внешними факторами)
  • Не ухудшаются другие характеристики системы, в том числе характеристики ЭМС.

Демпфирующая RC-цепочка – вариант Б

ris_11-3 (2)

Рис. 11. Вариант Б – демпфирующая RC-цепочка (демпфирование ключа)

Для подавления возможных колебаний на выводе VS можно использовать и другую демпфирующую RC-цепочку, показанную на рисунке 11. Рекомендации по выбору параметров компонентов этой цепочки также можно найти в технической спецификации (раздел 7 «Application Information», таблица 7 «Bill of material»).

Данный вариант демпфирующей цепочки имеет следующие достоинства:

  • Благодаря требуемым характеристикам CVS и RGND, этот вариант демпфирующей цепочки имеет меньшую стоимость по сравнению с вариантом A

С другой стороны, применение этой схемы имеет следующие особенности:

  • Данный вариант больше подходит для таких устройств, в которых используется только один или небольшое число ключей PowerPROFET.
  • Хотя сопротивление резистора RGND составляет всего лишь единицы Ом, оно все же увеличивает потенциал цепи GND ключа PowerPROFET на некоторую величину. Наличие элементов CVS и RGND могут ухудшить общие характеристики ЭМС.

С другой стороны, диаграммы на рисунках 8 и 9 свидетельствуют о наличии большого числа сочетаний значений параметров, при которых вероятность возникновения сильных колебаний на линии VS минимальна или вовсе равна нулю. Поэтому если в устройстве не будет использован ни один из предложенных вариантов демпфирующей RC-цепочки, можно ограничиться специальным тестированием конечного устройства в реальных условиях его эксплуатации, чтобы убедиться в его надежной работе.

Обеспечение электромагнитной совместимости

Компания Infineon предлагает специальную услугу по проведению тестов на электромагнитную совместимость. По результатам тестирования предоставляется отчет, описывающий ЭМС характеристики устройства, в котором указаны уровень излучаемых электромагнитных помех, степень восприимчивости к прямой подачи мощности (DPI) и степень устойчивости к тестовым импульсам ISO. Также данный отчет содержит рекомендации по компоновке и разводке печатной платы устройства, обеспечивающих наилучшие характеристики ЭМС и максимальную устойчивость к тестовым импульсам ISO.

Подводя итоги

Выпуском семейства ключей Power PROFET компания Infineon продолжает внедрение интеллектуальных полупроводниковых приборов в автомобильное оборудование, работающее с повышенными токами. Благодаря появлению семейства Power PROFET клиенты компании смогут теперь вместо электромеханических реле применять твердотельные ключи верхнего плеча, в полной мере используя их преимущества:

  • Коммутация сильноточных нагрузок без помех;
  • Возможность управления выходной мощностью с использованием ШИМ;
  • Возможность диагностики состояния нагрузки;
  • Возможность общей оптимизации системы, например, за счет выбора оптимального сечения провода для подключения нагрузки (с использованием контроля тока нагрузки в сочетании с программными функциями защиты, реализуемыми управляющим микроконтроллером), упрощения кабельной разводки и снижения общего числа проводов (за счет задействования нового, не обслуживаемого пространства для монтажа).
© 2000-2021 ООО "Ричел". All rights reserved.

.