Inom fordonsdesign är det en stor utmaning att skydda elektronik som styrenheter, sensorer och underhållningssystem, mot skadliga, inverterade spänningar, spänningstransienter, elektrostatisk urladdning (ESD) och akustiska störningar från elledningen. Soo Man (Sweetman) Kim, Vishay General Semiconductor, ger här sin lösning på problemet.

Likriktare är idealiska lösningar för skydd av elektroniska elledningar inom fordonsindustrin och har flera viktiga parametrar för sådana tillämpningar, däribland framström, repetitiv inverterad spänning, stötström framåt och säkringsvärde.
Låt oss här gå igenom parametrar för förhållanden vid test av elektronisk utrustning och tillämpningar inom fordonsindustrin. Grundläggande kretsar för polaritetsskydd visas i fig 1. Krets (A) ger endast polaritetsskydd medan krets (B) har polaritetsskydd med dämpning av "loaddump" (laddningsdump).

Fig 1: Grundläggande kretsar för polaritetsskydd.

Följande är definitioner för viktiga parametrar att ta hänsyn till i valet av diod för polaritetsskydd för kraftmatningen i din fordonstillämpning.

Maximal repetitiv
inverterad spänning
Den maximala repetitiva, inverterade spänningen (V_RRM) är den maximala spänning som dioden tål i inverterat förspänningsläge. I inverterat förspänningsläge kan läckström genom dioden generera värme i diodövergången och leda till termisk rusning. Tester som simulerar detta tillstånd omfattar den amerikanska ISO-7637-2 puls 1 och 3 a, och den japanska JASO D001-94, standard typ B och E. Varje toppspänning för dessa tester anges i följande tabell.

Tabell 1. V_RRM för ISO-7637-2 och JASO D001-94.

Enligt ovanstående testförhållanden ska V_RRM för en diod för skydd av elledning vara mellan 300 V och 400 V för en 12 V drivlina och 600 V för en 24 V drivlina.

Framström (I_F(AV))
Specifikationen för framström i datablad betyder vanligtvis den maximala genomsnittliga framström som dioden kan hantera i förspänningsläge för framström, med tanke på paketets termiska begränsningar. Denna parameter är i relation till den nuvarande användningen av kretsen i drift.

Fig 2. Den maximala reduceringskurvan för framström hos en likriktare på en 5×5 mm Cu-pad med FR-4-laminat.

Kapaciteten för framström varierar med temperaturen i diodens övergång, såsom visas i fig 2. Andra relaterade parametrar omfattar termisk resistans med symbolerna R_θJC, R_θJA, R_θJL och R_θJM.

Framåtriktad stötström (IFSM)
Angiven framåt stötström i ett datablad är den maximala toppström som dioden kan hantera i förspänningsläge för framström inom angivna förhållanden för tid och puls.
Denna klassificering begränsas av diodens termiska kapacitet.
Specifikationen för framåt stötström står i relation till två stora åtgärder och simuleras i ISO-16750-2 och JASO D001-94 standarder för fordonsindustrin. Den första åtgärden är att skydda kretsarna mot de höga strömmar som uppstår under lastdumpningen. Den andra åtgärden simuleras i ISO-7637-2 test puls 2a och 3b, som består av 50 ms och 100 ms pulsbredder och 2 ohm och 50 ohm linjeimpedans, respektive. Detta är en relativt liten mängd energi i jämförelse med den strömstöt framåt som uppstår vid testförhållandena för lastdumpning.

Fig 3. Dämpning av "loaddump" (laddningsdump).

Dämpning av "loaddump" (laddningsdump) simuleras av tester såsom ISO-16750-2 test A och B, JASO standard typ A och D, och andra.

Tabell 2.

I detta läge passerar hög stötström genom polaritetsskyddsdioden, och detta kräver en tillräckligt hög kapacitet för stötström framåt för att undvika fel. Uppskattning av värdet för stötström i tester för dämpning av "loaddump" (laddningsdump) kan göras med ekvationen:
I_peak=(V_peak – V_Fd – V_clamping)/(R_i + R_zd)
V_peak: Stötspänning
V_clamping: Låsspänning
V_Fd: Framspänningsfall i polaritetsskyddsdiod
R_i: Linjeimpedans
R_zd: Resistans hos låsanordning

Fig 4. Med tillämpat förhållandena av 101 V U_s, 12 V U_B, och 1,5 ohms linjeimpedans i enlighet med ISO-16750-2 test A, är toppströmmen 51,3 A och den verkliga klämströmmen 50,3 A.

För en utförlig förklaring av skyddet mot "loaddump" (laddningsdump) hänvisas till http://www.vishay.com/docs/88490/tvs.pdf.

ESD
ESD påverkar driftstabilitet och tillförlitlig livslängd hos elektroniska moduler i fordon. I ISO-10605 och JASO standard 5.8 anges testförhållanden för denna parameter.

Icke-repetitiv lavinenergi (EAS)
Denna icke-repetitiva lavinenergi för en diod anger den maximala energi som den kan absorbera i backförspänning för att skydda kretsarna mot induktiva transienter från motorer och solenoider eller inducerade höga backspänningar. Det finns ingen fordonsstandard för denna specifikation.

Temperaturförhållanden i fordon
JASO specificerar driftstemperaturen för fordonselektronik till – 40°C till + 100°C beroende på placering, t ex i bagageutrymme, motor eller på andra platser.
Soo Man (Sweetman) Kim, Vishay General Semiconductor

Författaren har studerat elektronik på Yeungnam University i Korea och sedan 1987 arbetat för Vishay General Semiconductor med fälttillämpningsteknik och program för produktmarknadsföring av likriktare och TVS-enheter.

Referenser:
[1] Fulup, W. "Calculation of Avalanche Breakdown of Silicon P-N junctions."Solid-State Electronics 10.1 (1967): 39-43. Publikation
[2] Hart, Daniel W. Introduction to Power Electronics. Taiwan: PrenticeHall / Pearson Education, 2002. Publikation
[3] Horowitz, Paul, and Winfield Hill.The Art of Electronics.Cambridge: Cambridge University Press, 1980. Publikation
[4] ISO-10605: 2001: Vägfordon – Testmetoder för elektriska störningar från elektrostatisk urladdning
[5] ISO-16750-2: 2010: Vägfordon – Miljöförhållanden och tester av elektrisk och elektronisk utrustning
[6] ISO-7637-2: 2010: Vägfordon – Elektrisk störning genom ledning och koppling – Del 2: Endast elektrisk transientledning längs matningsledningar
[7] JASO D001-94: Japansk fordonsstandard – Allmänna regler för miljömässiga testmetoder för elektronisk utrustning inom fordonsindustrin
[8] IEC 61000-4-2: 1995 Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) – Del 4: Tekniker för test och mätning – Avsnitt 2: Test av elektrostatisk urladdningsimmunitet

Filed under: Fordonselektronik