智能MOSFET在汽车电子系统中的应用

张金鹏, 隋建鹏, 江 进, 刘鹏飞, 孙 鹏, 王 莹

(1. 中国第一汽车集团有限公司解放事业本部 商用车开发院电子电气开发部, 长春 130011； 2. 中国第一汽车股份有限公司 研发总院, 长春 130011)

0 引 言

随排放法规的日益严格, 降低碳排放是汽车企业面临的主要挑战之一。以智能MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)开关器件为代表的电子元器件在提高能源效率、 可靠性方面起重要作用。目前, 市场上的汽车级智能MOSFET器件有很多, 但主要结构基本相同, 由功率开关管和逻辑电路构成, 具有过温度保护、 输出短路保护和电流斜率控制等功能[1]。但智能MOSFET仍有其局限性和不足之处, 在特定的应用条件下, 需增加外围器件或相应控制策略才能使其正常工作。因此, 笔者针对智能MOSFET在汽车电子系统中存在的不足, 对智能MOSFET在电源反接、 短路或过载, 抛负载瞬态过压, 电流检测精度, 通流能力和钳位能量能力等方面进行分析并给出了相应的解决方法。

1 智能MOSFET和继电器

目前, 汽车电子系统中智能MOSFET正逐渐取代传统机械式继电器。智能MOSFET不仅可替代继电器的开关功能, 还具有保护功能, 从而可以不再使用与继电器相对应的熔断器。但在部分汽车电子系统中仍然使用机械式继电器, 其主要原因可能是没有合适的智能MOSFET或继电器比MOSFET更具成本优势。选用继电器存在如下缺点[2,3]:

1) 当熔断器熔断时, 需更换熔断器, 要求熔断器盒安装在的相对便利的位置；

2) 继电器和熔断器比智能MOSFET占用更多空间；

3) 熔断器和熔断器插座之间的接触电阻在其寿命内会逐渐增加, 尤其是当熔断器熔断情况下, 导致功耗增加；

图1 开关次数对比 Fig.1 Switching frequency comparison

4) 由于继电器过流的反应时间长, 系统需要在一定时间内承受比额定电流更高的电流, 从而导致系统的成本和重量增加。

传统汽车在使用寿命内启动次数大约为5 000～15 000次, 而具有启停功能的汽车为250 000～1 000 000次。机械式继电器不能满足具有启停功能车辆对开关次数的需求, 而智能MOSFET比机械式继电器在可靠性和寿命方面均有明显优势, 其耐久性开关次数对比如图1所示。

2 智能MOSFET保护

2.1 电源反接

通常情况下, 汽车电子系统中所有的电子模块必须有防电源反接保护功能才能在电源反接情况下不发生故障。若电ECU(Electronic Control Unit)外部有主继电器, 智能MOSFET可通过主继电器实现电源反接保护。若ECU外部没有主继电器, 电源反接保护通过以下两种方式实现: 若负载允许反向电流流过, 可通过激活智能MOSFET实现反接保护, 通过负载限制通过源极-漏极的电流, 如图2所示; 若负载不允许反向电流通过, 可使用PMOS(Positive Channel Metal Oxide Semiconductor)管与智能MOSFET串联实现反接保护, 如图3所示。

图2 通过负载限制源极-漏极的电流 图3 PMOS电源反接保护电路 Fig.2 Current of source-drain electrode is restricted by load Fig.3 PMOS power reverse protection circuit

2.2 短路或过载

短路故障是汽车电子系统中常见的故障类型, 即使智能MOSFET内部具有短路保护功能, 仍需限制短路电流的脉冲次数, 避免智能MOSFET过温失效。由于智能MOSFET具有保护功能, 当短路故障时, 会禁止输出功能, 然而被禁止的输出功能可通过输入控制信号(有效电平)再次激活。当负载是PWM(Pulse Width Modulation)控制时, 输入控制信号总是再次激活智能MOSFET的输出功能, 所以, 为防止智能MOSFET短路失效, 输入控制信号应由ECU内的微控制器控制智能MOSFET的导通或关断, 并设定短路脉冲电流的数目, 达到设定短路脉冲电流的数目后, 在一段时间内停止输出输入控制信号[4], 如图4所示。

过载工况通常出现在电机堵转的情况下。为监测过载工况, 智能MOSFET需具有电流检测输出功能, 通过微控制器对输出电流反馈进行实时监控。当智能MOSFET过流时, 禁止输出功能, 如图5所示。但被禁止的输出功能可通过输入控制信号再次激活, 当负载是PWM控制时, 输入控制信号总是再次激活输出功能, 所以应该在过载情况下采取相应的保护措施。对整车功能而言, 要求在故障消失后, 相应的输出功能需自恢复。所以在一段设定时间后, 智能MOSFET的输出应再次激活, 验证输出状态, 如图6所示。

图4 短路电流峰值 图5 过载电流峰值 图6 过载自恢复 Fig.4 Short circuit current peak Fig.5 Overload current peak Fig.6 Overload self-recovery

2.3 抛负载瞬态过压

智能MOSFET内部逻辑电路根据微控制器输出控制信号的电平状态控制内部开关管导通或关断, 并实现保护功能。但内部逻辑电路需要外围器件抑制车辆电气系统电源线上的瞬态电压峰值(例如ISO-7637-2： 道路车辆-电源线瞬态传导干扰抗扰性试验； ISO-16750-2： 道路车辆-电气和电子装备的环境条件和试验)。在车辆供电环境的瞬态过压现象中, 对电子设备危害最大的是抛负载瞬态过压现象。为保护智能MOSFET, 采用TVS(Transient Voltage Suppressor)并联在电源供电线[5-8], 如图7所示。TVS放置在ECU的电源输入端口, 为保证电子设备在正常工作电压范围内, TVS吸收的电流可忽略不计, 要求TVS最大反向工作电压大于等于电子设备的最大工作电压, 并要求TVS最大钳位电压低于被保护电路所允许的最大安全电压, 从而保护器件； 在瞬态电压抑制过程中, 为保障TVS不被损坏, 需TVS功耗大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率[9]。在实际应用中, 尤其是24 V系统, 为提高TVS瞬态过压抑制能力, 可通过多个TVS(大于等于2个TVS)串联实现, 如图8所示。

图7 单TVS瞬态过压保护 图8 多TVS瞬态过压保护 Fig.7 Single TVS transient overvoltage protection Fig.8 Multiple TVS transient overvoltage protection

3 电流检测精度

智能MOSFET通常具有电流检测反馈功能, 可实时监测负载电流。电流检测功能通过镜像电流源原理实现, 输出与负载电流同比例的小电流, 再通过采样电阻产生电压值, 最后将此电压值连接到微控制器的A/D转换器。实际应用中, 负载电流和检测电流之间的比例系数DILIS(cal)受器件结温和负载电流的影响[10], 如图9所示。

a 检测电流与负载电流关系 b 检测电流相对误差图9 未标定检测电流精度Fig.9 Uncalibrated test current accuracy

对于执行器而言, 高精度的电流检测是实现精确控制的基础, 为提高电流检测的精度, 可通过标单点或两点标定提高电流检测的精度[11,12], 如图10和图11所示。通过两点标定后的负载电流计算式为

a 检测电流与负载电流关系 b 检测电流相对误差图10 单点标定检测电流精度Fig.10 Single point calibration detection current accuracy

a 检测电流与负载电流关系 b 检测电流相对误差图11 两点标定检测电流精度Fig.11 Two point calibration detection current accuracy

其中DILIS(cal)为两点标定后的电流比例系数；IIS0(cal)为检测电流偏置；Tx为工作温度；Tcal为标定时的工作温度； ΔDILIS(cal)为两点标定后的检测电流系数, 通过数据手册查找；αIS0为温度系数, 通过数据手册查找。DILIS(cal)和IIS0(cal)由下式求出：

4 通流能力

智能MOSFET的通流能力主要取决于其导通内阻RDS(ON), 虽然智能MOSFET的种类很多, 其导通内阻的范围也很大, 但在一些应用中, 负载电流可能比智能MOSFET的额定电流大。由于汽车电子系统元器件种类和成本等因素约束, 将采用两个或多个智能MOSFET并联的方式提高其驱动能力。通过并联智能MOSFET可减少其导通状态下的导通电阻, 从而提高了MOSFET的通流能力。

对于没有续流二极管的感性负载应用如图12所示, 通过激活智能MOSFET内部的钳位电路将感性负载产生的电压尖峰钳位到一定电压值VCLP。但由于各智能MOSFET在相同条件下的钳位电压不同[13], 如表1所示, 所以其最大钳位能量不是两个或多个智能MOSFET钳位能量相加的总和, 最坏情况是只有一个智能MOSFET吸收了全部的关断能量。因此, 在实际应用中, 最大关断能量(单个脉冲或重复脉冲)不应超过单个智能MOSFET的额定钳位能量EAR。对一些特定应用, 可使用续流二极管并联在负载两端消耗存储在负载的能量, 如图13所示, 此时不再考虑智能MOSFET的钳位能量, 但降低了负载的相应速率。

图12 无续流二极管驱动电路 图13 续流二极管驱动电路 Fig.12 No Freewheel diode drive circuit Fig.13 Freewheel diode drive circuit

通道号通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8钳位电压/V52.4152.452.5352.5252.4552.4552.4152.09环境条件/℃2525252525252525

5 钳位能量能力

对于要求快速关断相应的执行器问题, 采用反向电压快速关断方式, 使驱动电流快速下降到零。此过程中, 存储在感性负载中的能量被智能MOSFET吸收(消耗)。为提高车辆能源效率, 降低元器件成本, 越来越多的感性负载采用无续流二极管驱动方式, 这对智能MOSFET的额定钳位能量EAR提出一定的要求。根据下式

计算出智能MOSFET将要吸收的能量, 要求智能MOSFET吸收的能量小于其额定钳位能量EAR[14]。其中VCLP为智能MOSFET的钳位电压；VBAT为电源电压；IL为负载电流；RL为负载等效电阻。

对式(6)进行灵敏度分析(最坏情况分析), 结果为

图14 TVS钳位电路Fig.14 TVS clamping circuit

满足以上条件是在低温环境下、 负载的等效电阻最低、 电源电压为最高以及钳位电压为最低时, 计算得到最大的钳位能量。把该钳位能量值与额定钳位能量EAR进行比较, 若智能MOSFET将要吸收的能量大于额定钳位能量EAR, 智能MOSFET将会损坏。对于此情况, 可在负载两端并联1个TVS和二极管保护智能MOSFET, 如图14所示。通过TVS吸收存储在负载中的能量, 要求TVS的钳位能量额定值EAR大于上述计算得到的最大能量值, 并满足TVS的最高钳位电压小于智能MOSFET的最低钳位电压。

6 结 语

笔者对机械式继电器和智能MOSFET进行了比较, 针对智能MOSFET在汽车电子系统中可能存在的不足和局限性进行了分析并给出相应的解决方法。上述方法已经在试验室或实车上得到验证, 试验表明应用智能MOSFET能对执行器和线束提供更加智能、 可靠的诊断与保护。

随半导体技术的发展, 智能MOSFET的电特性和热特性也将更加成熟, 性价比更高, 在提高车辆能源效率、 燃油经济性和电气系统小型化方面也将发挥越来越重要的作用。智能MOSFET技术符合汽车电子技术未来的发展方向, 是汽车走向智能化、 低碳化、 集成化的必然选择。