一種用于48V電氣系統(tǒng)的電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)方案

車載電氣系統(tǒng)向 48V 電壓的轉(zhuǎn)換，也對(duì)保險(xiǎn)絲和斷路器提出了新的要求。這主要是由于 48V 系統(tǒng)電壓較高，而機(jī)械式繼電器適用范圍有限。

高電壓意味著繼電器在斷開的瞬間會(huì)產(chǎn)生電弧，這就會(huì)影響到繼電器的使用壽命。此外，產(chǎn)生的電弧會(huì)對(duì)車載電氣系統(tǒng)造成干擾。因此，當(dāng)前主流車型中所采用的機(jī)械式繼電器，越來越多地被基于功率半導(dǎo)體的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲元件所取代。

電子保險(xiǎn)絲或 E-Fuse 是一種創(chuàng)新解決方案，能夠防止過載從而保護(hù)電動(dòng)汽車電池，因此電子保險(xiǎn)絲可以被用來替換存在技術(shù)缺陷的機(jī)械式繼電器。

方案優(yōu)勢(shì)概覽

Vishay 推出一種用于 48V 電氣系統(tǒng)的電子保險(xiǎn)絲參考設(shè)計(jì)方案，不僅證明這種應(yīng)用的技術(shù)可行性，還證明公司自有功率半導(dǎo)體的性能。通過采用新一代技術(shù)和研發(fā)成果，一個(gè)小型化的 200A 的電子保險(xiǎn)絲方案得以在 125mm x 60mm FR4 PCB 上實(shí)現(xiàn) （圖1）。

圖 1： Vishay 開發(fā)的 FR4 PCB 電路板兩面裝熔絲

大電流，高效率

由于采用 MOSFET 背對(duì)背地連接，使得該設(shè)計(jì)方案可用作雙向保險(xiǎn)絲。該方案采用 Power Metal Strip 系列作為檢流電阻測(cè)量最大的電流值。在車載應(yīng)用中這種低阻值電阻特別適合用于精確電流測(cè)量?？赏ㄟ^電位器或者控制器在 1-200A 范圍內(nèi)手動(dòng)調(diào)整關(guān)斷電流。當(dāng)電流超過被允許的最大值時(shí)，MOSFET 會(huì)在 1 μs 內(nèi)斷開電路連接。這種快速響應(yīng)對(duì)于防止汽車電池過載非常重要。該方案的目的是展示采用了分立半導(dǎo)體元件的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于采用多個(gè) MOSFET 并聯(lián)的模塊化設(shè)計(jì)，因此熔絲也適用于其他功率等級(jí)或要求。Vishay 豐富的電阻產(chǎn)品亦可滿足相應(yīng)功率的要求。

通過采用多個(gè)功率 MOSFET 管并聯(lián)連接，這種設(shè)計(jì)既提高最大電流至 200A，又降低了功耗 （圖2），并且還可以輕松滿足不斷變化的要求。該參考設(shè)計(jì)采用新一代 Vishay 半導(dǎo)體。得益于采用低“導(dǎo)通”電阻的 MOSFET 管和并聯(lián)的連接方式， 在 200A 電流條件下功耗僅為 14W。200A 最大電流連續(xù)工作狀態(tài)下，MOSFET 和電路板溫度約為 75°C。因此，即使在嚴(yán)苛的車載使用環(huán)境下，該電子保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)亦不需要額外冷卻。只有使用電氣和熱性能出色的元件才能實(shí)現(xiàn)這樣的結(jié)果。

事實(shí)證明，PowerPAK 8x8L 是正確的選擇。由于優(yōu)化了散熱設(shè)計(jì)，MOSFET 管具有非常好的散熱效果。此外，由于采用鷗翼引腳設(shè)計(jì) MOSFET 管的焊接點(diǎn)具有很好的抗熱膨脹性，使得其外殼適于各種要求嚴(yán)格的應(yīng)用。該 MOSFET 管也提供背面冷卻型號(hào)可以滿足優(yōu)化設(shè)計(jì)或者更高電流的需求。這樣，散熱器可以直接裝在漏極觸點(diǎn)的焊點(diǎn)上。半導(dǎo)體與冷卻系統(tǒng)直連可以降低硅片與冷卻系統(tǒng)之間的熱阻，增加 MOSFET 載流量，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的設(shè)計(jì)性能。貼片式 NTC 溫度傳感器測(cè)量功率 MOSFET 的溫度，監(jiān)測(cè)半導(dǎo)體器件的應(yīng)力。

圖2： 半導(dǎo)體器件并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)保險(xiǎn)絲的模塊化結(jié)構(gòu)

精確的電流測(cè)量

Power Metal Strip系列檢流電阻主要適用于精確測(cè)量電流。有別于其他在其測(cè)量范圍或溫度范圍有局限的測(cè)量方法，檢流電阻在整個(gè)工作區(qū)域內(nèi)非常穩(wěn)定，不受環(huán)境（如溫度或電壓變化）干擾的影響。Vishay 的 Power Metal Strip 系列檢流電阻有各種功率和阻值選項(xiàng)，便于滿足不同的性能設(shè)計(jì)要求。

在放大器電路中采用薄膜排阻精確測(cè)量電流。這些元件擁有分立薄膜電阻的優(yōu)點(diǎn)特性，以及僅用一個(gè)元件的事實(shí)。排阻的兩個(gè)電阻在生產(chǎn)過程中是精確匹配的。這樣，在可能發(fā)生干擾的情況下，組件的行為幾乎相同，因此電阻比不變，從而顯著提高測(cè)量精度。

現(xiàn)已證明，電子保險(xiǎn)絲取代機(jī)械式繼電器是可行的，甚至更有利。該解決方案可減少車載電氣系統(tǒng)和車內(nèi)其他設(shè)備的干擾。此外，半導(dǎo)體不受開關(guān)循環(huán)次數(shù)的限制，因此可以用作永久保險(xiǎn)絲或斷路器。由于電子保險(xiǎn)絲采用模塊化結(jié)構(gòu)，該設(shè)計(jì)可以很容易地調(diào)整和細(xì)化，以適應(yīng)不斷變化的需求。

審核編輯 ：李倩