继电器和保险丝的理想替代品——全新大电流半导体开关

作者 Benoit Rousseau 英飞凌科技股份公司

摘要：本文介绍了英飞凌的可作为机电式继电器和保险丝的替代品的全新的Power PROFET产品，并介绍了其在配电架构中的应用。

引言

　　英飞凌(当时为西门子半导体业务部)在大约25年前向市场推出第一批PROFET(PROtected mosFET)产品。这意味着在许多不同的汽车车身应用中，继电器和保险丝的替代品终于现身。如今，半导体解决方案已在电流适中(<10A)的车身控制模块市场占据最大份额。不过，继电器目前仍广泛用于大电流负载，如发动机冷却、后窗加热、风挡除霜器、控制单元主开关、电制动系统真空泵等。这是因为迄今为止一直没有高性能的半导体替代品可供使用。超低电阻智能高边开关Power PROFET产品家族的出现已经改变了这种局面，配电领域迎来了新时代。

1 全新Power PROFET

　　作为机电式继电器和保险丝的替代品，全新Power PROFET(图1)能实现智能、可靠、节能和经济的配电系统。该高边开关具有极低的导通电阻(低至1.0mΩ)，可处理最大40A的直流电流，并具备3000 MJ能量处理能力。此外，它们还具备面向汽车和12V工业应用的众多保护和诊断功能。

　　Power PROFET专为大电流应用和智能配电系统而设计。针对短路、过温、过载、过压、接地或电池连接失效的保护功能，确保安全可靠运行。

　　1.1 智能、安全地配电

　　在过去几年里，配电架构的进一步发展受限于继电器和保险丝，Power PROFET能解决这些问题并带来多重益处。譬如，继电器、保险丝、继电器驱动器、电缆和连接器等众多部件可由一个芯片取代。此外，该半导体开关能耐受灰尘、冲击和振动。这样就能在元件贴装和装配时实现更高水平的灵活性。与此同时，由于Power PROFET在30A直流电流下的功耗小于2W，所以，其损耗降到了机械解决方案的七分之一。此外，其使用寿命大大增加，单脉冲的能量处理能力高达3000MJ，对于重复脉冲则达到550MJ。因此，在许多情况下可以通过去除之前必须的续流二极管，从而降低系统成本。

　　Power PROFET不仅仅是继电器的替代品，它们具备更多功能、更高效率和更高可靠性。目前主要有两种典型应用场景：用于特殊负载场合以克服继电器的局限性和用于优化配电架构。

　　由于有电弧产生，在高开关频率和高感性负载下继电器会受到限制。而这可以通过利用Power PROFET及其能量处理能力来防止。此外，Power PROFET半导体开关支持低速(大约100Hz)脉宽调制，实现智能电源管理，因为它们能控制负载的电流，譬如，用于座椅加热器温度调节等。这是一个重要方面，因为在许多负载必须并联配置情况下，需要考虑越来越高的功率需求和潜在的限制条件。

　　其在过载方面的性能是一个显著优势。当保险丝有缺陷需要更换时，相关装置不可用，但Power PROFET可由软件重置并重新激活。Power PROFET能耐受超过100万次短路，并满足AEC-Q100 Grade A标准的严格要求。此外，继电器会产生一定的噪音，而Power PROFET在开关时是无声的。

　　在系统层面，车上越来越多的应用模块和以舒适主导的功能趋势是配电系统面临的重大挑战。基于集中式继电器/保险丝盒和复杂线束的经典架构将走向终点，新架构即将呈现。在这方面，全新Power PROFET具有明显优势，因为它们能实现基于多个多重智能配电中心的灵活、分散式架构(图2)。保险丝没有这种潜力，因为出于维护原因，它们只能置于易接近的区域。这种分散式架构有三大优势：首先，线束大大简化，线缆数量减少、长度缩短。其次，可节省空间，因为电子开关中心要比继电器盒或保险丝盒小得多。最后，可增大容量，因为损耗降低、电流密度增加。

　　此外，使用半导体开关可使诊断功能得以实现。因此，可对电流进行监控，同时利用微控制器检测并显示故障。这可以满足无人驾驶的一个关键要求。

　　另一个重要方面是成本。继电器和保险丝的价格比较稳定，而半导体产品会受益于新技术引进带来的降价。目前，相同半导体开关与继电器成本对应的电流值约为15 A，未来这一电流值会不断提高。这意味着就成本而言，半导体开关将变得越来越令人关注。如果将更便宜的布线也计算在内，那么，在系统层面更是如此。由于必要部件的减少，所以，可以创建一个更精确的分散式系统，减少必要线路的数量或缩短线路长度。这样，还可以提高能效，同时减轻重量，并简化制造工艺。

2 Power PROFET

　　Power PROFET高边开关具备极低的导通电阻，RDS(on)值分别为1.0 mΩ、1.5 mΩ、2.0 mΩ和2.5 mΩ。该开关可驱动25 A至40 A的电阻性负载、感性负载和容性负载。它们专为汽车和工业(12 V)市场而设计，具有集成式保护和诊断功能(图3)，诸如负载检测、短路和过温保护、接地失效时切断电路等。这方面一个引人关注的功能是ReverSave功能。ReverSave功能可在电池极性错误的情况下自动打开功率MOSFET，从而保护元器件。

　　Power PROFET基于创新技术，具备高能量处理能力，因此，非常适用于诸如起停系统中的起动继电器或直流泵和风扇等应用装置。Power PROFET的输入电压为8～18V，并兼容3.3V逻辑输入。浪涌电流最大可达到150A，而输出引脚处的漏电流非常小。除此之外，Power PROFET开关拥有非常高的EMC抗扰性。Power PROFET产品家族的成员均引脚兼容，全都具备同样的功能，而导通电阻则各有不同。因此，开发人员更换负载或元器件时无需更改电路板布局。英飞凌提供带有Power PROFET BTS50015-1TAD的Arduino评估板，以支持设计(图4)。

3 可扩展的高边开关

　　高边开关可用于多种应用。譬如，PROFET+产品家族瞄准车辆照明应用和10A负载电流控制应用。大电流PROFET产品家族专为电流10A至20 A的加热及类似应用而设计。作为大电流继电器和保险丝的替代品，支持20 A至40 A负载电流的全新Power PROFET的推出，使产品阵容得以进一步壮大。

　　本文来源于《电子产品世界》2017年第2期第68页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。