任國(guó)峰+田豐+楊林

文章編號(hào)：16742974(2014)05000806

收稿日期：20130807

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275291）

作者簡(jiǎn)介：任國(guó)峰（1982-），男，山東濟(jì)寧人，上海交通大學(xué)博士研究生

通訊聯(lián)系人，E-mail: yanglin@sjtu.edu.cn

摘 要：為了準(zhǔn)確預(yù)估發(fā)動(dòng)機(jī)控制器ECU中的功率MOSFET管的溫升情況，建立了一個(gè)針對(duì)工作于PWM脈寬調(diào)制方式下的功率MOSFET管的峰值節(jié)點(diǎn)溫升預(yù)測(cè)簡(jiǎn)化模型，基于功率管的DATASHEET參數(shù)，模型可以快速地對(duì)工作于PWM調(diào)制方式下的功率管峰值節(jié)點(diǎn)工作溫度做出精確預(yù)測(cè).通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量的溫升結(jié)果和模型的預(yù)測(cè)溫升結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了模型的溫升預(yù)測(cè)精度，對(duì)溫升的預(yù)測(cè)最大誤差不超過(guò)2.3%.雖然溫度預(yù)測(cè)模型是基于柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路，但預(yù)測(cè)模型可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他的功率驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).

關(guān)鍵詞：熱分析; 溫度預(yù)測(cè); 模型; 功耗; 瞬態(tài)熱阻



中圖分類號(hào)：TK311;U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on theTemperature Prediction 

ofPower MOSFET in ECU



REN Guofeng,TIAN Feng,YANG Lin



（Institute of Automotive Electronic Technology, Shanghai Jiaotong Univ, Shanghai 200240,China）

Abstract:A simple peak junction working temperature predicting model on the pulse width modulation working condition was established in order to accurately estimate the temperature rise of power MOSFET within engine controller. The model can make an accurate prediction of the peak junction temperature under pulse width modulation operation based on the components DATASHEET parameter. The measured temperaturerise results with experiments were provided to verify the model prediction accuracy. The prediction results match the experiment results very well and the maximum error is less than 2.3%. Although temperature prediction is based on the solenoid valve drive circuit, the analysis results can be easily extended to other power device drive circuitry topology.



Key words:thermal analysis; temperature prediction; model; power loss; transient thermal resistance



當(dāng)今汽車對(duì)安全、節(jié)能環(huán)保以及舒適性、操縱穩(wěn)定性等功能的要求越來(lái)越高，使得迅速發(fā)展的電子技術(shù)在汽車領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的機(jī)械控制系統(tǒng)逐漸被電子控制系統(tǒng)所取代，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、動(dòng)力傳動(dòng)總成控制到車身和底盤控制等［1-2］.而功率MOSFET管，作為汽車中最重要的功率整流控制器件在汽車ECU內(nèi)廣泛應(yīng)用.據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車上有60%的功率流動(dòng)控制都是通過(guò)MOSFET管來(lái)實(shí)現(xiàn)的［3］.而MOSFET管在工作時(shí)會(huì)因?yàn)樗膶?dǎo)通和開關(guān)而消耗一定的功率，消耗的功率會(huì)轉(zhuǎn)化成熱，從而造成了MOSFET管的工作溫度升高.在較高的溫度下，這些器件的可靠性會(huì)降低，工作壽命也會(huì)縮短.據(jù)美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)SAE調(diào)查研究［4］，在所有引起汽車發(fā)動(dòng)機(jī)ECU失效的因素當(dāng)中，有40%是由于工作溫度過(guò)高而引起的.

工作于穩(wěn)態(tài)條件下的MOSFET管的溫升ΔT可以通過(guò)穩(wěn)態(tài)熱阻公式ΔT=P×Rth計(jì)算，但是ECU內(nèi)的功率管大多都工作在PWM開關(guān)脈寬調(diào)制狀態(tài)下，在開關(guān)脈沖功率作用于功率器件時(shí)，由于器件自身存在的熱容，器件的結(jié)點(diǎn)溫度并不會(huì)瞬時(shí)升高到峰值溫度，采用上式計(jì)算峰值節(jié)點(diǎn)工作溫度，會(huì)過(guò)高預(yù)測(cè)其峰值溫度.所以在發(fā)動(dòng)機(jī)ECU設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，如果能在硬件設(shè)計(jì)制作之前就對(duì)功率器件的峰值節(jié)點(diǎn)工作溫度作出精確預(yù)測(cè)，確保其峰值節(jié)點(diǎn)溫度不會(huì)超過(guò)器件允許的最高安全工作溫度限值，對(duì)于提高ECU工作的穩(wěn)定性和可靠性，縮短設(shè)計(jì)周期，降低設(shè)計(jì)成本都將具有非常重要的意義.

本文針對(duì)電控柴油機(jī)控制器ECU中的功率MOSFET管提出了一個(gè)溫度預(yù)測(cè)簡(jiǎn)化模型，模型可以根據(jù)從器件手冊(cè)很容易獲取的一些基本參數(shù)對(duì)器件節(jié)點(diǎn)的峰值工作溫度快速做出精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的預(yù)測(cè)精度.

1 溫度預(yù)測(cè)模型

溫度預(yù)測(cè)模型主要由兩部分組成，分別是功率管的功耗模型和瞬態(tài)熱阻模型，并基于“疊加”原理計(jì)算工作于PWM開關(guān)脈寬調(diào)制方式下的功率管峰值節(jié)點(diǎn)溫升.

1.1 瞬態(tài)熱阻模型

獲取功率管的瞬態(tài)熱阻最實(shí)用的方式就是測(cè)量功率管在脈沖功率激勵(lì)下的熱響應(yīng).幸運(yùn)的是，幾乎每個(gè)功率器件生產(chǎn)商都會(huì)在其使用手冊(cè)上給出瞬態(tài)熱阻響應(yīng)曲線圖，如圖1所示的就是恩智浦（NXP）半導(dǎo)體生產(chǎn)的BUK9675-100A型功率管的瞬態(tài)熱阻響應(yīng)曲線簇［5］.瞬態(tài)熱阻可以表示為：

Zthj-mb(t)=Rthj-mb×1-etτth（1）

式中Rthj－mb代表穩(wěn)態(tài)熱阻，可以直接從圖上讀取，或： 

lim t→

SymboleB@

Zthj－mbt=Rthj－mb（2）

從式（1）可以看出，確定瞬態(tài)熱阻就是確定時(shí)間常數(shù)τth，這可以通過(guò)對(duì)微分ΔZth/Δt求極限獲得：

lim t→0dZthj－mbtdt=ΔZthΔt=Rthj－mbτth （3）

在不同脈沖寬度tp和不同占空比δ下的瞬態(tài)熱阻可表示為：

Ztht,δ=δ×Rth+1－δ×

Ztht+tδ+Ztht－Zthtδ（4）



圖1瞬態(tài)熱阻響應(yīng)曲線簇

Fig.1 Transient thermal impedance curves family

1.2 功率管的功耗模型

功率管的功率損耗主要由兩部分組成，在打開和關(guān)閉功率MOSFET管時(shí)，管自身會(huì)消耗一定的功率，稱為開關(guān)損耗；在MOSFET管導(dǎo)通時(shí)，自身通過(guò)大電流，因?yàn)楣β使艿膶?dǎo)電溝道有一定的導(dǎo)通電阻，這些電阻會(huì)消耗一定的功率，稱為阻性損耗（亦稱跨導(dǎo)損耗）；這兩部分功率損耗是MOSFET管功率損耗的主要組成部分，這部分功率損耗會(huì)以熱的形式釋放出來(lái)，造成器件的工作溫度升高.

Ptotal=Presistive+Pswitch（5）

一個(gè)經(jīng)典的功率管分段線性功耗模型［6-7］因?yàn)槠浜?jiǎn)單易用且在估算功率管功耗時(shí)表現(xiàn)出的優(yōu)異性能而獲得了廣泛的應(yīng)用.MOSFET管的等效驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示．

功耗模型把功率管的打開和關(guān)閉波形作分段線性處理，如圖3所示.

當(dāng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)加到MOSFET管的柵極（Gate），驅(qū)動(dòng)電流開始給MOSFET管的門極輸入電容CGS充電（從t0時(shí)刻開始），柵極電壓VGS開始增加達(dá)到柵極的閾值電壓VGS(th)，在這段時(shí)間內(nèi)MOSFET管內(nèi)沒(méi)有形成導(dǎo)電溝道，也就沒(méi)有流過(guò)電流，因此也就



圖2 功率MOSFET管的等效電路

Fig.2The equivalent circuit of power MOSFET



圖3 功率MOSFET管的分段線性功耗模型

Fig.3 Piece linear approximation of power loss model

沒(méi)有功率損耗Pt1=0.當(dāng)柵極電壓VGS達(dá)到閾值電壓VGS(th)時(shí)（t1時(shí)刻），這時(shí)導(dǎo)電溝道開始形成，輸入電容繼續(xù)充電，漏極電流I(xiàn)D開始隨著柵極電壓的升高而線性增加直到接近輸出負(fù)載電流I(xiàn)LOAD（t2時(shí)刻）；接下來(lái)，進(jìn)入t3時(shí)間段，這時(shí)柵極電流全部用來(lái)給柵、漏極間電容CDG充電，漏源兩端電壓VDS開始從輸入電壓線性下降到0，負(fù)載電流I(xiàn)LOAD全部流過(guò)MOSFET管.在t1~t2和t2~t3時(shí)間段內(nèi)，MOSFET管漏、源極間承受著最大的跨導(dǎo)電壓VDS和急劇上升的負(fù)載電流I(xiàn)LOAD或急劇下降的跨導(dǎo)電壓和最大負(fù)載電流，開關(guān)損耗主要發(fā)生在這段時(shí)間內(nèi)，關(guān)斷過(guò)程亦類似，如圖3中陰影部分所示.

Eswitch=Esw－on+Esw－off=

12×VDS×ID×t3－t1+12×VDS×

ID×t9－t7（6）

打開和關(guān)閉MOSFET管的時(shí)間tsw=t3－t1可以通過(guò)下式計(jì)算：

tsw=QgateIdrive（7）

Qgate代表柵極電荷，通過(guò)直接從芯片手冊(cè)上讀取，Idrive是柵極充電電流，由使用的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)確定.MOSFET管在導(dǎo)通時(shí)，其行為就像是一個(gè)低阻值的電阻，所以阻性損耗的計(jì)算是比較容易的.由歐姆定律可得：

Eresistive=I2LOAD×RON×ton（8）

這樣，在一次開關(guān)過(guò)程中，MOSFET管的功耗可以近似表示為：

Ptotal=Esw－on+Eresistive+Esw－offtsw+ton+tsw（9）

1.3 基于疊加原理計(jì)算功率管的節(jié)點(diǎn)溫升

當(dāng)一連串的脈沖功率應(yīng)用于功率管時(shí)，功率管的最大溫度往往發(fā)生在最后一個(gè)脈沖的結(jié)尾處，此時(shí)的功率管節(jié)點(diǎn)峰值溫度是前面所有脈沖功率作用的總和.“疊加”原理把此時(shí)的節(jié)點(diǎn)溫度看作是所有單個(gè)脈沖激勵(lì)的綜合響應(yīng)，包括瞬態(tài)熱阻和等效功耗.

ΔTtn,end=

∑ni=1PiZthtn,end－ti,start－Zthtn,end－ti,end（10）

圖4所示是4個(gè)功率脈沖作用于功率管時(shí)，計(jì)算功率管的峰值節(jié)點(diǎn)溫度.

在第4個(gè)脈沖結(jié)束處（即t7時(shí)刻）的峰值節(jié)點(diǎn)溫升ΔT可以按下式計(jì)算：

ΔTt4,end=ΔTt7=∑4i=1PiZtht4,end－ti,start－

Ztht4,end－ti,end=

P1Ztht7－t0,t7－t0t7－t0－P1Ztht7－t1,t7－t1t7－t0+

P2Ztht7－t2,t7－t2t7－t0－P2Ztht7－t3,t7－t3t7－t0+

P3Ztht7－t4,t7－t4t7－t0－P3Ztht7－t5,t7－t5t7－t0+

P4Ztht7－t6,t7－t6t7－t0 (11)

2 模型預(yù)測(cè)精度試驗(yàn)驗(yàn)證

汽車控制器內(nèi)的大多數(shù)半導(dǎo)體功率開關(guān)器件都工作在PWM開關(guān)狀態(tài)下，提出的模型就比較適合預(yù)測(cè)這種情況下的瞬態(tài)峰值節(jié)點(diǎn)溫度.模型選用電控柴油機(jī)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路作為一個(gè)應(yīng)用案例，來(lái)驗(yàn)證模型對(duì)瞬態(tài)溫度的預(yù)測(cè)精度.

2.1 試驗(yàn)方案

現(xiàn)代的電控柴油機(jī)普遍采用高速、強(qiáng)力電磁閥來(lái)控制燃油噴射.為了實(shí)現(xiàn)電磁閥的高速響應(yīng)特性，電控柴油機(jī)電磁閥普遍采用高電壓、大電流來(lái)驅(qū)動(dòng)，電控柴油機(jī)ECU的電磁閥驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示.電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路普遍采用雙電壓和“提升-保持”型的驅(qū)動(dòng)電流，如圖6所示．開始時(shí)，用高電壓驅(qū)動(dòng)電磁閥快速打開，達(dá)到提升峰值電流（15 A）時(shí)還要保持500 μs以保證針閥可靠落座，隨后，為了減小電磁閥發(fā)熱，驅(qū)動(dòng)電流轉(zhuǎn)為保持電流（5 A），直到噴油脈寬結(jié)束.為了達(dá)到穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，開關(guān)功率管的PWM調(diào)制方式被廣泛采用，這會(huì)導(dǎo)致MOSFET管兩種主要的功耗模式，開關(guān)損耗和阻性損耗.

(a) 4個(gè)功率脈沖

(b) 等效的多個(gè)激勵(lì)脈沖

(c) 單個(gè)脈沖激勵(lì)下的節(jié)點(diǎn)溫度響應(yīng)

(d) 疊加原理計(jì)算峰值節(jié)點(diǎn)溫度Tj

P1: Zth(t-t0,δ0)=Zth［(t7-t0),(t7-t0)/(t7-t0)］

P3: Zth(t-t4,δ4)=Zth［(t7-t4),(t7-t4)/(t7-t0)］

P4: Zth(t-t6,δ6)=Zth［(t7-t6),(t7-t6)/(t7-t0)］

-P2: Zth(t-t3,δ3)=Zth［(t7-t3),(t7-t3)/(t7-t0)］

-P3: Zth(t-t5,δ0)=Zth［(t7-t5),(t7-t5)/(t7-t0)］

-P1: Zth(t-t1,δ1)=Zth［(t7-t1),(t7-t0)/(t7-t0)］

(e) 對(duì)應(yīng)不同脈沖下的瞬態(tài)熱阻

圖4 基于疊加原理計(jì)算功率管峰值節(jié)點(diǎn)溫升

Fig.4 Calculation of peak junction temperaturerise

based on superposition principle







圖5 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Fig.5 Topology structure of solenoid valve drive circuit



圖6 驅(qū)動(dòng)電流波形及其等效功耗

Fig.6 The wave shape and equivalent 

power loss of drive current



MOSFET管的峰值節(jié)點(diǎn)溫度不但和噴油脈寬有關(guān)，還和噴油周期有關(guān).而噴油脈寬和周期又是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和加速踏板位置的函數(shù)，他們的關(guān)系如圖7所示，從圖中可以看出，在100%加速踏板位置處（ACCP: Accelerator pedal position），噴油脈寬最大.在一次噴油過(guò)程中，對(duì)應(yīng)缸的低邊控制開關(guān)（LS1~LS6）一直打開，所以低邊開關(guān)主要產(chǎn)生阻性損耗，高壓控制開關(guān)HS80V只在提升電流的上升階段打開一段很小的時(shí)間，一旦電流達(dá)到峰值提升電流，高壓控制開關(guān)就關(guān)閉；而蓄電池控制開關(guān)HS在提升和保持電流階段一直處于PWM調(diào)制狀態(tài)，在PWM調(diào)制時(shí)，MOSFET管兩端承受著急劇變化的電壓和電流，產(chǎn)生巨大的功率損耗，并且相對(duì)于底邊控制開關(guān)（LS1~LS6，發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)開關(guān)一次），蓄電池控制開關(guān)HS在一個(gè)工作循環(huán)內(nèi)要PWM調(diào)制6次.所以，高邊開關(guān)HS是驅(qū)動(dòng)電路中溫升最高的功率器件，下面的溫升分析都是基于高邊開關(guān)HS進(jìn)行的.

Engine speed/(r?min-1）

圖7 不同加速踏板位置和轉(zhuǎn)速下的噴油脈寬

Fig.7 Injection pulse width under different engine 

speeds and ACCP positions



從圖6中的驅(qū)動(dòng)電流波形來(lái)看，在一個(gè)噴油脈寬Tpulse內(nèi)，功率管的峰值節(jié)點(diǎn)溫度應(yīng)出現(xiàn)在噴油脈寬結(jié)束時(shí)，這段時(shí)間內(nèi)，除去電流從0上升到提升峰值電流的時(shí)間ton和從提升峰值電流下降到保持電流的時(shí)間toff，再除以電流振蕩時(shí)的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf，就可以算出在一個(gè)噴油脈寬內(nèi)等效的脈沖功率個(gè)數(shù)n.

ton=LR×ln UU－R×Ipeak(12)

toff=LR×ln IpeakIhold－ΔI(xiàn)(13)

tr=LR×ln U－R×IthU－R×Ith－ΔI(xiàn)(14)

tf=LR×ln IthIth－ΔI(xiàn)(15)

式中I(xiàn)th代表提升和保持階段的電流峰值限值，ΔI(xiàn)代表電流振蕩幅度.從而在一個(gè)噴油脈寬Tpulse內(nèi)，功率管開關(guān)次數(shù)n可以表示為：

n=500 μs－tontr+tf+T－500 μs－tofftr+tf(16)

模型需要的輸入?yún)?shù)如表1所示.

表1溫度預(yù)測(cè)模型的輸入?yún)?shù)

Tab.1 The input parameter of proposed model

預(yù)測(cè)模型參數(shù)量參數(shù)值

功耗

模型

漏、源導(dǎo)通電阻

RDS(on)

75 mΩ

門充電荷

Qgate

15 nC

門充電流

I(xiàn)drive

400 mA

高驅(qū)動(dòng)電壓

Uboost

80 V

蓄電池電壓

U

24 V

提升峰值電流

I(xiàn)peak

15 A

保持峰值電流

I(xiàn)hold

5 A

驅(qū)動(dòng)回路電阻

R

1.2 Ω

電磁閥電感

L

800 μH

電流振蕩幅值

ΔI(xiàn)

1 A

瞬態(tài)熱阻模型

穩(wěn)態(tài)熱阻

Rth

1.5 K/W

微分項(xiàng)

ΔZth/ΔT

445

在實(shí)際測(cè)量MOSFET管的節(jié)點(diǎn)溫度時(shí)，不可能把一個(gè)溫度計(jì)放置到MOSFET管的節(jié)點(diǎn)位置處，測(cè)量MOSFET管的節(jié)點(diǎn)溫度一般都是通過(guò)測(cè)量管子的一個(gè)溫度敏感參數(shù)來(lái)獲得.MOSFET管體內(nèi)的并聯(lián)二極管的前向電壓降就是一個(gè)溫度敏感參數(shù)，通過(guò)測(cè)量MOSFET管體內(nèi)并聯(lián)二極管兩端的壓降就可以算出MOSFET管的節(jié)點(diǎn)溫度，從而得到MOSFET管的節(jié)點(diǎn)溫升［8］：

ΔTj－mb=Tj－Tmb=0.55－VSD0.002 39+

25－Tmb[℃](17)

其中Tmb為管子的焊接基溫度，也就是PCB板的溫度.

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖8是MOSFET管節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)量方案，即并聯(lián)二極管前向壓降測(cè)量電路．圖9是測(cè)試臺(tái)架，包括高壓共軌柴油機(jī)控制器ECU、基于圖8方案的MOSFET并聯(lián)二極管前向壓降測(cè)量板等．表2給出了在不同發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下的MOSFET管溫升模型預(yù)測(cè)值和試驗(yàn)測(cè)量值（對(duì)應(yīng)100%油門開度），可見在300~2 750 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，模型均能對(duì)MOSFET管的溫升做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)誤差最大不超過(guò)2.3%，模型有比較高的預(yù)測(cè)精度.



圖8MOSFET管的節(jié)點(diǎn)溫度測(cè)量方案

Fig.8 Measurement schematic of MOSFET

junction temperature





圖9 溫度模型預(yù)測(cè)精度驗(yàn)證的試驗(yàn)臺(tái)架

Fig.9 The verification platform of proposed model



表2 模型預(yù)測(cè)和試驗(yàn)測(cè)量溫升結(jié)果對(duì)比

Tab.2 Comparisons of temperaturerise between 

models and tests

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 

/(r?min-1)

100%油門開度

試驗(yàn)結(jié)果/℃模型結(jié)果/℃誤差 /%

30025.325.7

1.6

50025.926.41.9

75027.628.11.8

1 00030.130.82.3

1 25033.433.2-0.6

1 50036.336.60.8

1 75038.938.8-0.3

2 00041.341.81.2

2 25043.744.00.7

2 50044.644.70.2

2 75044.143.6-1.2

3 結(jié) 論

由于溫度對(duì)汽車控制器ECU工作穩(wěn)定性和可靠性的重要影響，所以在ECU設(shè)計(jì)制作之前對(duì)功率器件做溫度預(yù)測(cè)以確保其峰值節(jié)點(diǎn)工作溫度不超過(guò)最高安全工作溫度范圍，就非常有必要.基于一些從器件手冊(cè)很容易獲取的參數(shù)和具體的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，本文提出的預(yù)測(cè)模型可以很精確地預(yù)測(cè)出工作在PWM開關(guān)脈沖方式下的功率管峰值節(jié)點(diǎn)工作溫度，并且模型預(yù)測(cè)精度經(jīng)過(guò)了試驗(yàn)驗(yàn)證，預(yù)測(cè)誤差最大不超過(guò)2.3%.

參考文獻(xiàn)

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