繼電器和保險絲的理想替代品——全新大電流半導(dǎo)體開關(guān)

作者 Benoit Rousseau 英飛凌科技股份公司

摘要：本文介紹了英飛凌的可作為機(jī)電式繼電器和保險絲的替代品的全新的Power PROFET產(chǎn)品，并介紹了其在配電架構(gòu)中的應(yīng)用。

引言

　　英飛凌(當(dāng)時為西門子半導(dǎo)體業(yè)務(wù)部)在大約25年前向市場推出第一批PROFET(PROtected mosFET)產(chǎn)品。這意味著在許多不同的汽車車身應(yīng)用中，繼電器和保險絲的替代品終于現(xiàn)身。如今，半導(dǎo)體解決方案已在電流適中(<10A)的車身控制模塊市場占據(jù)最大份額。不過，繼電器目前仍廣泛用于大電流負(fù)載，如發(fā)動機(jī)冷卻、后窗加熱、風(fēng)擋除霜器、控制單元主開關(guān)、電制動系統(tǒng)真空泵等。這是因為迄今為止一直沒有高性能的半導(dǎo)體替代品可供使用。超低電阻智能高邊開關(guān)Power PROFET產(chǎn)品家族的出現(xiàn)已經(jīng)改變了這種局面，配電領(lǐng)域迎來了新時代。

1 全新Power PROFET

　　作為機(jī)電式繼電器和保險絲的替代品，全新Power PROFET(圖1)能實現(xiàn)智能、可靠、節(jié)能和經(jīng)濟(jì)的配電系統(tǒng)。該高邊開關(guān)具有極低的導(dǎo)通電阻(低至1.0mΩ)，可處理最大40A的直流電流，并具備3000 MJ能量處理能力。此外，它們還具備面向汽車和12V工業(yè)應(yīng)用的眾多保護(hù)和診斷功能。

　　Power PROFET專為大電流應(yīng)用和智能配電系統(tǒng)而設(shè)計。針對短路、過溫、過載、過壓、接地或電池連接失效的保護(hù)功能，確保安全可靠運行。

　　1.1 智能、安全地配電

　　在過去幾年里，配電架構(gòu)的進(jìn)一步發(fā)展受限于繼電器和保險絲，Power PROFET能解決這些問題并帶來多重益處。譬如，繼電器、保險絲、繼電器驅(qū)動器、電纜和連接器等眾多部件可由一個芯片取代。此外，該半導(dǎo)體開關(guān)能耐受灰塵、沖擊和振動。這樣就能在元件貼裝和裝配時實現(xiàn)更高水平的靈活性。與此同時，由于Power PROFET在30A直流電流下的功耗小于2W，所以，其損耗降到了機(jī)械解決方案的七分之一。此外，其使用壽命大大增加，單脈沖的能量處理能力高達(dá)3000MJ，對于重復(fù)脈沖則達(dá)到550MJ。因此，在許多情況下可以通過去除之前必須的續(xù)流二極管，從而降低系統(tǒng)成本。

　　Power PROFET不僅僅是繼電器的替代品，它們具備更多功能、更高效率和更高可靠性。目前主要有兩種典型應(yīng)用場景：用于特殊負(fù)載場合以克服繼電器的局限性和用于優(yōu)化配電架構(gòu)。

　　由于有電弧產(chǎn)生，在高開關(guān)頻率和高感性負(fù)載下繼電器會受到限制。而這可以通過利用Power PROFET及其能量處理能力來防止。此外，Power PROFET半導(dǎo)體開關(guān)支持低速(大約100Hz)脈寬調(diào)制，實現(xiàn)智能電源管理，因為它們能控制負(fù)載的電流，譬如，用于座椅加熱器溫度調(diào)節(jié)等。這是一個重要方面，因為在許多負(fù)載必須并聯(lián)配置情況下，需要考慮越來越高的功率需求和潛在的限制條件。

　　其在過載方面的性能是一個顯著優(yōu)勢。當(dāng)保險絲有缺陷需要更換時，相關(guān)裝置不可用，但Power PROFET可由軟件重置并重新激活。Power PROFET能耐受超過100萬次短路，并滿足AEC-Q100 Grade A標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格要求。此外，繼電器會產(chǎn)生一定的噪音，而Power PROFET在開關(guān)時是無聲的。

　　在系統(tǒng)層面，車上越來越多的應(yīng)用模塊和以舒適主導(dǎo)的功能趨勢是配電系統(tǒng)面臨的重大挑戰(zhàn)?；诩惺嚼^電器/保險絲盒和復(fù)雜線束的經(jīng)典架構(gòu)將走向終點，新架構(gòu)即將呈現(xiàn)。在這方面，全新Power PROFET具有明顯優(yōu)勢，因為它們能實現(xiàn)基于多個多重智能配電中心的靈活、分散式架構(gòu)(圖2)。保險絲沒有這種潛力，因為出于維護(hù)原因，它們只能置于易接近的區(qū)域。這種分散式架構(gòu)有三大優(yōu)勢：首先，線束大大簡化，線纜數(shù)量減少、長度縮短。其次，可節(jié)省空間，因為電子開關(guān)中心要比繼電器盒或保險絲盒小得多。最后，可增大容量，因為損耗降低、電流密度增加。

　　此外，使用半導(dǎo)體開關(guān)可使診斷功能得以實現(xiàn)。因此，可對電流進(jìn)行監(jiān)控，同時利用微控制器檢測并顯示故障。這可以滿足無人駕駛的一個關(guān)鍵要求。

　　另一個重要方面是成本。繼電器和保險絲的價格比較穩(wěn)定，而半導(dǎo)體產(chǎn)品會受益于新技術(shù)引進(jìn)帶來的降價。目前，相同半導(dǎo)體開關(guān)與繼電器成本對應(yīng)的電流值約為15 A，未來這一電流值會不斷提高。這意味著就成本而言，半導(dǎo)體開關(guān)將變得越來越令人關(guān)注。如果將更便宜的布線也計算在內(nèi)，那么，在系統(tǒng)層面更是如此。由于必要部件的減少，所以，可以創(chuàng)建一個更精確的分散式系統(tǒng)，減少必要線路的數(shù)量或縮短線路長度。這樣，還可以提高能效，同時減輕重量，并簡化制造工藝。

2 Power PROFET

　　Power PROFET高邊開關(guān)具備極低的導(dǎo)通電阻，RDS(on)值分別為1.0 mΩ、1.5 mΩ、2.0 mΩ和2.5 mΩ。該開關(guān)可驅(qū)動25 A至40 A的電阻性負(fù)載、感性負(fù)載和容性負(fù)載。它們專為汽車和工業(yè)(12 V)市場而設(shè)計，具有集成式保護(hù)和診斷功能(圖3)，諸如負(fù)載檢測、短路和過溫保護(hù)、接地失效時切斷電路等。這方面一個引人關(guān)注的功能是ReverSave功能。ReverSave功能可在電池極性錯誤的情況下自動打開功率MOSFET，從而保護(hù)元器件。

　　Power PROFET基于創(chuàng)新技術(shù)，具備高能量處理能力，因此，非常適用于諸如起停系統(tǒng)中的起動繼電器或直流泵和風(fēng)扇等應(yīng)用裝置。Power PROFET的輸入電壓為8～18V，并兼容3.3V邏輯輸入。浪涌電流最大可達(dá)到150A，而輸出引腳處的漏電流非常小。除此之外，Power PROFET開關(guān)擁有非常高的EMC抗擾性。Power PROFET產(chǎn)品家族的成員均引腳兼容，全都具備同樣的功能，而導(dǎo)通電阻則各有不同。因此，開發(fā)人員更換負(fù)載或元器件時無需更改電路板布局。英飛凌提供帶有Power PROFET BTS50015-1TAD的Arduino評估板，以支持設(shè)計(圖4)。

3 可擴(kuò)展的高邊開關(guān)

　　高邊開關(guān)可用于多種應(yīng)用。譬如，PROFET+產(chǎn)品家族瞄準(zhǔn)車輛照明應(yīng)用和10A負(fù)載電流控制應(yīng)用。大電流PROFET產(chǎn)品家族專為電流10A至20 A的加熱及類似應(yīng)用而設(shè)計。作為大電流繼電器和保險絲的替代品，支持20 A至40 A負(fù)載電流的全新Power PROFET的推出，使產(chǎn)品陣容得以進(jìn)一步壯大。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第2期第68頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。