约 25 年前,市面上出现首款 PROFET 产品(PROtected mosFET,保护型 MOSFET),意味各种不同汽车车体应用的继电器与保险丝,终于出现替代选择。

不过,由于市面上仍没有高效能半导体替代产品,因此继电器依然广泛使用在高电流负载,例如引擎冷却、后窗加热、挡风玻璃除雾、控制单元主开关、电子剎车系统的真空帮浦等。 然而,随着新一代超低电阻高侧智能开关 Power PROFET 系列产品问世,配电系统将迈向新纪元。

以英飞凌(Infineon)为例,该公司旗下全新 Power PROFET(图 1)能够代替机电动力式继电器和保险丝,实现智能、可靠的电流配电系统,并符合能源与成本效益。 高侧开关拥有较低导通电阻(最低为 1.0mΩ),能够处理高达 40A DC 电流,能源管理能力高达 3,000mJ。
 


图 1 Power PROFET 适合替代继电器,其功能及能源效率均提升,亦展现更高的可靠性。
此外,这类产品也能为汽车及 12V 工业应用,提供各种保护及诊断功能。 该产品特别针对高电流应用与智能配电系统所设计,具备短路、过热、过载、过电压、接地中断或电瓶连接中断等保护功能,确保运作安全可靠。

满足智能 / 安全配电需求 Power PROFET 展妙用

配电架构近几年的发展都因继电器与保险丝而受到局限,不过,全新 Power PROFET 不只可解决此困境,且具备多项优势。 例如,现在只要单一芯片,就能够取代诸如继电器、保险丝、继电器驱动器、缆线与连接器等众多组件,此外,半导体开关极为耐用,不怕灰尘、冲击和震动,因此配置与组装组件时具有更多弹性。

同时,新一代 Power PROFET 的耗损比机械式解决方案减少 7 倍,在 30A DC 下功耗小于 2W;不仅如此,其单脉冲的能源处理能力达到 3,000mJ,重复脉冲时为 550mJ,使用寿命可说大幅延长。 因此,许多情况均能免除使用飞轮二极管,进而降低系统成本。

另外,该产品除了可作为继电器的替代品之外,其功能及能源效率均提升,亦展现更高的可靠性。 Power PROFET 基本上用于两种实作:用于特殊负载,克服继电器的限制,以及用于优化的配电架构。

出现电弧时,继电器会受到高开关周期和高电感负载的限制,但若能借助 Power PROFET 及其能源管理能力,则能够避免此问题;此外,其半导体开关支持低速(约 100Hz)时的脉冲宽度调变, 可用来控制如座椅加热器温度调节等负载的电流,实现智能电源管理。 这是很重要的优点,能在同步为多重负载供电的情况下,满足上升的电源需求并克服潜在限制。

另外,Power PROFET 在过载时的行为是另一项重大优点,保险丝损坏而需要更换时,应用将无法运作。 但是,Power PROFET 只需要透过软件,便能够轻易重置并重新启动;还可以承受超过 100 万次的短路周期,并且通过 AEC-Q100 标准 A 等级的严苛要求。 此外,继电器会产生些许噪音,但是 Power PROFET 在切换时却能安静无声。

降低汽车能源消耗 分布式架构好处多
从系统层面来看,汽车的应用性与舒适性功能不断增加,为配电系统带来了重大挑战。 为了因应此趋势,采用集中式继电器 / 保险丝盒与复杂线路图的典型架构,至此将踏入历史,并需要加以进化。

有鉴于此,最新型 Power PROFET 显然具备一项优势,就是采用分布式的弹性架构,并使用数个多重智能配电核心。 至于保险丝则无法提供此项优势,原因是为了方便维护,只能放置在容易拿取的位置。 这种分布式架构具有三项主要优点:第一,线路图大幅简化,线路更少更短。 第二,节省空间,因为电子开关核心较继电器盒或保险丝盒更为精巧。 最后一点,由于较低耗损与较高的电流密度,因此可增加设计的内容。

除此之外,半导体开关也能够加入诊断功能,进而监控与控制电流,并透过微控制器轻易侦测及显示故障。 这有许多好处,其中一个即是满足自动驾驶的关键要求。

另一项重要因素则是成本,虽然继电器与保险丝的价格已相当稳定,但是因为新技术的导入,半导体产品还能进一步降低价格。 目前半导体开关与继电器在电流量方面平分秋色,均为 15A,但随着技术进步,流量将会逐步提高,因此对重视成本的设计来说,将会偏好采用半导体开关。 就系统层级来说,假如系统的线路成本较低廉,当然更该选用半导体开关。 由于所需组件数量降低,因此可建构出更为精准、分布式的系统,减少必要线路的数量或长度,进而改善能源效率、减轻重量,并简化制程。

提升节能效率 Power PROFET 全面进化
Power PROFET 高侧开关拥有低导通电阻,提供 1.0mΩ、1.5mΩ、2.0mΩ和 2.5mΩ的 RDS(on)值选项。 开关可驱动 25A 至 40A 的电阻、电感和电容负载,并整合保护与诊断功能(图 2),例如负载侦测、短路与过热保护、接地联机中断保护等,专为汽车与工业(12V)市场所设计。 另一项特殊功能为 ReverSave,可在电池极性错误时自动开启功率 MOSFET,藉此保护组件。

 


图 2 合保护功能的 Power PROFET 高侧开关方块图


同时,该产品以创新技术为基础,拥有高效的能源管理能力,因此极适合用于怠速熄火系统的启动器继电器或直流帮浦与风扇等应用;其运作输入电压为 8V 至 18V, 提供 3.3V 兼容的逻辑输入,涌浪电流最高可达 150A,且输出脚位的低漏电流极低,且开关还具备较佳的 EMC 抗扰性。

除此之外,新型 Power PROFET 高侧开关的应用范围相当广泛,以 PROFET+系列产品为例,其是针对车辆照明应用所设计,也适用于高达 10A 的一般负载控制。 High Current PROFET 系列组件则是特别针对电流达到 10 至 20A 的加热与类似应用所设计。
(本文作者任职于英飞凌)