场效应晶体管在汽车上的应用及控制电路诊断
2019-08-08浙江缙云职业中专陈德美
浙江缙云职业中专 陈德美
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随着汽车电子技术的不断发展，汽车电气控制也越来越智能化。如果不能掌握基本的电子知识，很难诊断汽车故障。汽车上应用的晶体管主要有2种类型：一是双极型晶体管（BJT），也称为晶体三极管，是一种电流控制型器件，由输入电流控制输出电流，具有电流放大作用。它工作时有电子和空穴两种载流子参与导电过程，故称为双极型晶体管。另一种是单极晶体管，也称为场效应晶体管（FET），是一种电压控制型器件，由输入电压产生的电场效应来控制输出电流的大小。它工作时只有一种载流子参与导电，故称为单极型晶体管。本文就FET控制电路的特点及如何诊断该电路做一些基本介绍，望能给广大汽车维修朋友带来帮助。
1 FET的结构原理
FET的功能与BJT的功能相似，它们都常被用作放大器和开关装置。然而，FET的结构和操作与BJT不同。BJT可通过控制BJT电流来控制流经BJT的电流，而FET是控制施加给FET的电场效应来控制流经FET的电流。FET由P型和N型半导体材料构造而成，由于其功耗更低、工作温度更低，其尺寸可以比BJT小得多。它们具有更快的开关速度，因而非常适合用于集成电路和数字逻辑芯片。而且FET搭配先进的集成智能芯片技术之后，将不再需要使用单独的熔丝，所以在现代汽车控制电路中应用越来越广泛。与BJT类似，FET也有3个电极，如图1所示。
FET通过栅极的电压来控制流过源极与漏极端子之间形成的通道的输出电流。通过改变栅极的电压，可以改变漏极/源极通道以限制或传导电流。通道越宽，电流越大，输出电流与所施加的输入电压大小成正比，如图2所示。
2 FET的类型和特点
FET的类型主要有2种，即结型场效应晶体管（JFET）和金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）。
图1 FET结构示意图
图2 FET控制示意图
（1）JFET。JFET是耗尽模式类型的FET。这意味着仅当栅极的电压为零，流过通道的电流才会达到最大。对栅极施加电压，则会降低电流，如图3所示。JFET的阻抗比MOSFET低，因而可牵引更多电流，但它们不容易受到静电损坏。
（2）MOSFET。MOSFET可分为耗尽模式类型或增强型的FET。增强型FET意味着仅当栅极存在足够大的电压时
图3 耗尽型FET
才会有电流流过通道，如图4所示。MOSFET的阻抗比JFET高，这是因为栅极、漏极与源极通道之间的金属氧化物绝缘体导致电流消耗更低。流经漏极与源极之间主通道的电流与栅极的输入电压成正比。
3 FET的工作电路
图4 增强型FET
图5是FET电路基本操作示意图。为了提供以上所列的功能，FET中的集成电路利用各种输入来确定它是操作电路还是保护电路。具备这些附加功能的FET也称为保护场效应晶体管（PROFET）。对于PROFET控制系统，如果电路中存在故障，则电路将会自动断开，所以无法执行压降测试方法。
图5 FET简单电路示意图
要想正确地诊断FET电路，首先需要了解FET如何监测电路是否存在断路和短路。PROFET控制原理示意图如图6所示，而实际控制电路的内部电路会有所变化，也会复杂得多。PROFET内的集成电路（IC）有一个电压检测输入，并且还增加了一个通过固定电阻器到用电设备的电源。
图6 PROFET控制原理示意图
使用PROFET的控制模块可解读电压检测线路上的电压，在出现断路和短路故障时生成和存储相关故障代码。沿电压检测线路提供给IC的电压用于在栅极关闭和电路断开时监测电路。固定电阻器则意味着提供的电流非常小，不足以操作电路中的用电设备。当FET栅极打开和电路接通时，电流通过FET选择最容易的路径流至用电设备，用电设备才会工作。
也就是说即使电路处于不工作状态，只要点火开关打开，电源仍可从PROFET IC经过固定电阻器和用电设备实现搭铁。PROFET的固定电阻器与用电设备组成分压器电路，使得在用于控制模块监测的电压检测线路中存在低电压，电流很低，因此用电设备不会工作。
除了短路保护之外，PROFET还提供了电流限制、过载保护、过压保护、热关闭保护、静电放电保护、电池反接保护、电源/搭铁中断保护及诊断等。
4 实际案例诊断
4.1 故障现象
一位路虎发现神行车客户抱怨右后制动灯不亮，左侧正常。
4.2 故障分析
路虎车的外部照明电路中，大多数灯由FET控制，没有熔丝保护。路虎发现神行车制动灯电路如图7所示。
图7 路虎发现神行车制动灯电路
验证故障如客户所说，右侧制动灯不亮，左侧和高位制动灯正常，打开小灯发现右侧正常点亮。分析电路图发现右侧制动灯和小灯共用搭铁线，说明搭铁线正常。分析原因可能是制动灯电源线短路、断路或制动灯损坏。
4.3 故障诊断
（1）连接故障检测仪，读得的故障代码为：C111A-11，为右侧制动灯电路对搭铁短路。
（2）拆卸右侧制动灯总成，接通点火开关，用万用表电压挡测量尾灯线束连接器C4LS36A的端子2和4之间的电压，为0.7 V，正常；踩下制动踏板为0 V，不正常。
（3）关闭并打开点火开关，断开尾灯线束连接器C4LS36A，再次测量尾灯线束端连接器的C4LS36A的端子2和4之间的电压为7 V，正常；踩下制动踏板为12 V，正常。
（4）以上两次测试结果说明制动线路没有断路和对搭铁短路。
（5）拆下左侧尾灯，将左右尾灯总成对调，踩下制动踏板时发现右侧制动灯点亮，左侧制动灯不亮，连接故障检测仪，读得的故障代码为：C111B-11，为左侧制动灯电路对搭铁短路。
（6）更换一个新的右侧尾灯总成，接通点火开关，踩下制动踏板，制动灯工作正常。
4.4 故障小结
此故障是右侧尾灯总成内制动灯电路短路或二极管损坏所致，造成工作电流过大，FET保护了。
FET是既可以为耗电元件提供电源、又能像熔丝那样提供电路保护的晶体管。此类晶体管可以监测系统中的故障。FET通过在监测到不适当的电流时切断电路的方式来保护系统。无法对FET电路执行压降测试，因为压降测试要求接通电路。要有效诊断出FET电路的故障，应在关闭系统的情况下测量电压。FET在电压监测线路中可具有不同的参考电压，因此必须检查同款正常车辆中相同电路的电压作为参考。
