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48V 可恢復式eFuse 方案,鋪就安全可靠的電源系統升級之路

2022-8-31 09:52| 发布者: 闪电| 查看: 2| 评论: 0

摘要: 車載電氣系統向48V 電壓的轉換,也對保險絲和斷路器提出了新的要求。這主要是由於48V 系統電壓較高,而機械式繼電器適用範圍有限。高電壓意味著繼電器在斷開的瞬間會產生電弧,這就會影響到繼電器的使用壽命。此外, ...

車載電氣系統向48V 電壓的轉換,也對保險絲和斷路器提出了新的要求。這主要是由於48V 系統電壓較高,而機械式繼電器適用範圍有限。

高電壓意味著繼電器在斷開的瞬間會產生電弧,這就會影響到繼電器的使用壽命。此外,產生的電弧會對車載電氣系統造成乾擾。因此,當前主流車型中所採用的機械式繼電器,越來越多地被基於功率半導體的自恢復保險絲元件所取代。
電子保險絲或E-Fuse 是一種創新解決方案,能夠防止過載從而保護電動汽車電池,因此電子保險絲可以被用來替換存在技術缺陷的機械式繼電器。

                                                
Vishay 推出一種用於48V 電氣系統的電子保險絲參考設計方案,不僅證明這種應用的技術可行性,還證明公司自有功率半導體的性能。通過採用新一代技術和研發成果,一個小型化的200A 的電子保險絲方案得以在125mm x 60mm FR4 PCB 上實現(圖1)。


圖1: Vishay 開發的FR4 PCB 電路板兩面裝熔絲
                                                
由於採用MOSFET 背對背地連接,使得該設計方案可用作雙向保險絲。該方案採用Power Metal Strip® 系列作為檢流電阻測量最大的電流值。在車載應用中這種低阻值電阻特別適合用於精確電流測量。可通過電位器或者控制器在1-200A 範圍內手動調整關斷電流。當電流超過被允許的最大值時,MOSFET 會在1 μs 內斷開電路連接。這種快速響應對於防止汽車電池過載非常重要。該方案的目的是展示採用了分立半導體元件的模塊化結構設計。由於採用多個MOSFET 並聯的模塊化設計,因此熔絲也適用於其他功率等級或要求。Vishay 豐富的電阻產品亦可滿足相應功率的要求。

通過採用多個功率MOSFET 管並聯連接,這種設計既提高最大電流至200A,又降低了功耗(圖2),並且還可以輕鬆滿足不斷變化的要求。該參考設計採用新一代Vishay 半導體。得益於採用低“導通”電阻的MOSFET 管和並聯的連接方式, 在200A 電流條件下功耗僅為14W。200A 最大電流連續工作狀態下,MOSFET 和電路板溫度約為75°C。因此,即使在嚴苛的車載使用環境下,該電子保險絲設計亦不需要額外冷卻。只有使用電氣和熱性能出色的元件才能實現這樣的結果。
事實證明,PowerPAK 8x8L是正確的選擇。由於優化了散熱設計,MOSFET 管具有非常好的散熱效果。此外,由於採用鷗翼引腳設計MOSFET 管的焊接點具有很好的抗熱膨脹性,使得其外殼適於各種要求嚴格的應用。該MOSFET 管也提供背面冷卻型號可以滿足優化設計或者更高電流的需求。這樣,散熱器可以直接裝在漏極觸點的焊點上。半導體與冷卻系統直連可以降低矽片與冷卻系統之間的熱阻,增加MOSFET 載流量,實現更優異的設計性能。貼片式NTC溫度傳感器測量功率MOSFET 的溫度,監測半導體器件的應力。




圖2: 半導體器件並聯,實現保險絲的模塊化結構
                                                                                                                 
Power Metal Strip®系列檢流電阻主要適用於精確測量電流。有別於其他在其測量範圍或溫度範圍有局限的測量方法,檢流電阻在整個工作區域內非常穩定,不受環境(如溫度或電壓變化)干擾的影響。Vishay 的Power Metal Strip® 系列檢流電阻有各種功率和阻值選項,便於滿足不同的性能設計要求。 
在放大器電路中採用薄膜排阻精確測量電流。這些元件擁有分立薄膜電阻的優點特性,以及僅用一個元件的事實。排阻的兩個電阻在生產過程中是精確匹配的。這樣,在可能發生干擾的情況下,組件的行為幾乎相同,因此電阻比不變,從而顯著提高測量精度。
現已證明,電子保險絲取代機械式繼電器是可行的,甚至更有利。該解決方案可減少車載電氣系統和車內其他設備的干擾。此外,半導體不受開關循環次數的限制,因此可以用作永久保險絲或斷路器。由於電子保險絲採用模塊化結構,該設計可以很容易地調整和細化,以適應不斷變化的需求。
通過視頻更直觀地了解Vishay eFuse 設計參考:

https://mp.weixin.qq.com/s/_C03cti_kK9WI_0bhIeGuA

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