繼電器和保險絲的理想替代品

Benoit+Rousseau

摘要：本文介紹了英飛凌的可作為機電式繼電器和保險絲的替代品的全新的Power PROFET產品，并介紹了其在配電架構中的應用。

關鍵詞：繼電器；保險絲；大電流半導體開關

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2017.2.019

引言

英飛凌（當時為西門子半導體業務部）在大約25年前向市場推出第一批PROFET（PRotected mosFET）產品。這意味著在許多不同的汽車車身應用中，繼電器和保險絲的替代品終于現身。如今，半導體解決方案已在電流適中（<10A）的車身控制模塊市場占據最大份額。不過，繼電器目前仍廣泛用于大電流負載，如發動機冷卻、后窗加熱、風擋除霜器、控制單元主開關、電制動系統真空泵等。這是因為迄今為止一直沒有高性能的半導體替代品可供使用。超低電阻智能高邊開關Power PROFET產品家族的出現已經改變了這種局面，配電領域迎來了新時代。

1 全新Power PROFET

作為機電式繼電器和保險絲的替代品，全新PowerPROFET（圖1）能實現智能、可靠、節能和經濟的配電系統。該高邊開關具有極低的導通電阻（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工業應用的眾多保護和診斷功能。

Power PROFET專為大電流應用和智能配電系統而設計。針對短路、過溫、過載、過壓、接地或電池連接失效的保護功能，確保安全可靠運行。

1.1 智能、安全地配電

在過去幾年里，配電架構的進一步發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，該半導體開關能耐受灰塵、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3000MJ，對于重復脈沖則達到550MJ。因此，在許多情況下可以通過去除之前必須的續流二極管，從而降低系統成本。

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用場景：用于特殊負載場合以克服繼電器的局限性和用于優化配電架構。

由于有電弧產生.在高開關頻率和高感性負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半導體開關支持低速（大約100Hz）脈寬調制，實現智能電源管理，因為它們能控制負載的電流，譬如，用于座椅加熱器溫度調節等。這是一個重要方面，因為在許多負載必須并聯配置情況下，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勢。當保險絲有缺陷需要更換時，相關裝置不可用，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標準的嚴格要求。此外，繼電器會產生一定的噪音，而Power PROFET在開關時是無聲的。

在系統層面，車上越來越多的應用模塊和以舒適主導的功能趨勢是配電系統面臨的重大挑戰。基于集中式繼電器/保險絲盒和復雜線束的經典架構將走向終點，新架構即將呈現。在這方面，全新Power PROFET具有明顯優勢，因為它們能實現基于多個多重智能配電中心的靈活、分散式架構（圖2）。保險絲沒有這種潛力，因為出于維護原因，它們只能置于易接近的區域。這種分散式架構有三大優勢：首先，線束大大簡化，線纜數量減少、長度縮短。其次，可節省空間，因為電子開關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，使用半導體開關可使診斷功能得以實現。因此，可對電流進行監控，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定，而半導體產品會受益于新技術引進帶來的降價。目前，相同半導體開關與繼電器成本對應的電流值約為15A，未來這一電流值會不斷提高。這意味著就成本而言，半導體開關將變得越來越令人關注。如果將更便宜的布線也計算在內，那么，在系統層面更是如此。由于必要部件的減少，所以，可以創建—個更精確的分散式系統，減少必要線路的數量或縮短線路長度。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高邊開關具備極低的導通電阻，RDS（on）值分別為1.0 mΩ、1.5 mΩ、2.0 mΩ和2.5 mΩ。該開關可驅動25 A至40A的電阻性負載、感性負載和容性負載。它們專為汽車和工業（12V）市場而設計，具有集成式保護和診斷功能（圖3），諸如負載檢測、短路和過溫保護、接地失效時切斷電路等。這方面一個引人關注的功能是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，從而保護元器件。

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

3 可擴展的高邊開關

高邊開關可用于多種應用。譬如，PROFET+產品家族瞄準車輛照明應用和10A負載電流控制應用。大電流PROFET產品家族專為電流10A至20A的加熱及類似應用而設計。作為大電流繼電器和保險絲的替代品，支持20A至40A負載電流的全新Power PROFET的推出，使產品陣容得以進一步壯大。