Vishay 48 V可恢復式eFuse 確保安全連接
- 李佳玲／台北
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因應車載電氣系統向轉向使用48V電壓，車內保險絲和斷路器的設計要求也有所變化。48V系統電壓較高，機械式繼電器的使用範圍受限。高電壓意味著繼電器斷開瞬間會產生電弧。直接影響繼電器的使用壽命。此外，產生的電弧會對車載電氣系統造成干擾。因此，現行車中機械式繼電器逐漸的被電子式取代，更明確的說，是一種基於功率半導體的自恢復電子式保險絲。電子保險絲或E-Fuse是一種創新解決方案，用於防止系統過載進而保護電動汽車電池。電子保險絲可以成功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）。由於採用背對背連接的MOSFET，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。這種快速回應對於防止汽車電池超載非常重要。該方案的目的是展示採用了分立半導體元件的模組化結構設計。由於採用多個MOSFET並聯的模組化設計，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（Rds_on）的MOSFET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，只有使用電氣和抗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具有非常好的散熱效果。
此外，由於採用鷗翼引腳設計MOSFET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溫度感測器測量功率MOSFET的溫度，監測半導體器件的應力。
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，元件的行為幾乎相同，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，半導體不受開關迴圈次數的限制，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組化結構，該設計可以很容易地調整和細化，以適應不斷變化的需求。(本文由Vishay 汽車業務發展部高級現場應用工程師Stefan Volkmann提供、DIGITIMES李佳玲整理報導)
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