Особенности режимов работы интеллектуальных силовых ключей PROFET

18 июня

системы безопасностиавтомобильная электроникауправление двигателемавтоматизацияInfineonстатьяинтегральные микросхемыMOSFETPolyfuseПромавтоматикаMotor Drive

Александр Русу (г. Одесса)

При замене в современном автомобиле электромеханических реле на интеллектуальные силовые ключи PROFET производства Infineon необходимо учитывать особенности их коммутации по сравнению с «сухими контактами» реле, а также особенности управления с их помощью различными типами нагрузок.

На сегодняшний день в большинстве автомобилей электрическая энергия распределяется между бортовым оборудованием с помощью предохранителей и реле. Однако недостатки этих приборов, в числе которых – значительные габариты, ограниченный срок службы и высокие затраты энергии на управление, в ближайшем будущем не позволят использовать их в новых моделях автомобилей.

Наилучшей альтернативой электромеханическим реле являются полупроводниковые силовые ключи, имеющие намного меньшие габариты, значительно больший срок службы и практически нулевые затраты энергии на управление. Современные технологии позволяют разместить в одном малогабаритном корпусе не только мощный силовой транзистор, но и небольшой контроллер, с помощью которого можно реализовать ряд дополнительных функций, например, автоматическое отключение в случае перегрузки коммутируемой цепи. Таким образом, силовой ключ из обычного переключателя превращается в автономный автоматизированный модуль, имеющий не только лучшие технические характеристики, но и расширенную функциональность.

Именно таковы интеллектуальные силовые ключи PROFET (PROtected mosFET), разработанные компанией Infineon. Эти микросхемы могут коммутировать токи до 40 А и предназначены, в первую очередь, для замены традиционных электромеханических реле и плавких предохранителей в низковольтных системах электроснабжения постоянного напряжения. Кроме этого, благодаря встроенным узлам контроля тока, с помощью ключей PROFET можно получить исчерпывающую информацию об уровне энергопотребления коммутируемого узла, а при наличии цифровых интерфейсов – интегрировать их в единое информационное пространство автомобиля.

Однако непродуманная замена электромеханических реле или плавких предохранителей на микросхемы PROFET может оказаться неприятным сюрпризом для разработчиков, поскольку коммутация цепей с помощью «сухих» контактов принципиально отличается от управления нагрузками с помощью полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET), являющихся основой силовых ключей PROFET. Несмотря на то, что семейство PROFET в общем случае поддерживает работу с нагрузками любого типа (активной, индуктивной и емкостной), алгоритм работы ключей PROFET в различных ситуациях, например, при ошибочном подключении аккумулятора, будет зависеть от конкретной модели микросхемы и может сильно отличаться от алгоритма поведения электромеханического реле или плавкого предохранителя. Таким образом, неправильный выбор ключа PROFET, не поддерживающего все режимы, которые могут возникнуть в данном сегменте системы электропитания, может стать причиной нестабильной работы оборудования и привести к выходу из строя как самой микросхемы, так и устройств, управляемых ею.

В статье рассмотрены особенности режимов, которые могут возникнуть в силовых цепях при использовании ключей PROFET, а также приведены расчетные соотношения, позволяющие определить мощность тепла, выделяемого на кристалле микросхемы в каждом из них. Кроме этого, в статье рассмотрены основные функциональные возможности ключей PROFET, на наличие которых следует в обязательном порядке обращать внимание при выборе этих микросхем.

Особенности силовых ключей PROFET

В большинстве автомобилей бортовое оборудование питается от единственной аккумуляторной батареи с напряжением Vbb (это напряжение также часто обозначают как VBATTERY или VBAT). Потребители могут подключаться к силовым шинам разными способами (рисунок 1), однако чаще всего подача энергии на конечные узлы осуществляется путем коммутации цепей, связанных с положительным полюсом аккумулятора, в то время как второй питающий вывод оборудования остается неразрывно связанным с общим проводом (корпусом) автомобиля. Такой метод управления питанием наиболее удобен в реализации и обладает рядом преимуществ, в число которых входят относительно невысокая стоимость коммутирующих элементов и простота диагностики состояния системы.

Рис. 1. Варианты подачи питания на электрооборудование автомобиля

Рис. 1. Варианты подачи питания на электрооборудование автомобиля

При коммутации положительной питающей шины силовой элемент находится под высоким потенциалом по отношению к общему проводу, поэтому в технической литературе подобные схемы обычно называют «ключами верхнего плеча» (High-Side Switch, HSS). Основным элементом интеллектуальных силовых ключей верхнего плеча PROFET, обеспечивающим коммутацию питающего напряжения, является мощный N-канальный MOSFET, проводящий канал которого подключается между выводами Vs и OUT (рисунок 2). Управление транзистором осуществляется с помощью интегрированного драйвера, управляемого, в свою очередь, маломощным логическим сигналом, подаваемым на вход IN, причем для открытия силового транзистора необходимо, чтобы напряжение на этом выводе было больше или равно 3,3 B, что позволяет подключать эти микросхемы к большинству микроконтроллеров без дополнительных преобразователей уровней логических сигналов.

Рис. 2. Структурная схема интеллектуального силового ключа PFOFET

Рис. 2. Структурная схема интеллектуального силового ключа PFOFET

В отличие от обычных твердотельных реле, имеющих похожую схему силовой части, интеллектуальные силовые ключи PROFET имеют в своем составе встроенные узлы диагностики и защиты, обеспечивающие надежную работу коммутатора в аварийных ситуациях. В число основных защит входят защита от перегрузки по току, перегрева и неправильного подключения (переполюсировки) основного источника питания. Кроме этого, в некоторых моделях могут быть реализованы дополнительные функции, например, автоматическое восстановление питания нагрузки в случае короткого замыкания, а также возможность настройки и управления с помощью интерфейса SPI.

Особо следует отметить наличие токоизмерительного вывода IS, через который может протекать ток, пропорциональный току нагрузки. Для использования этой функции между выводом IS и общим проводом необходимо подключить токоизмерительный резистор, после чего напряжение на выводе IS станет пропорциональным выходному току. Это напряжение можно измерить, например, с помощью АЦП бортового компьютера (БК) и получить исчерпывающую информацию о величине тока, потребляемого оборудованием. Кроме того, алгоритм работы узлов, формирующих ток вывода IS, построен таким образом, что, анализируя напряжение на выводе IS, можно определить не только величину выходного тока, но и причину перехода ключа PFOFET в режим блокировки.

Режимы работы силовых ключей PFOFET

Особенностью полевых транзисторов с изолированным затвором является наличие паразитного антипараллельного диода между выводами истока и стока. Этот диод является неуправляемым, и при существующем уровне технологий избавиться от него невозможно. В нормальном режиме работы этот диод оказывается под обратным смещением и не оказывает влияния на электрические процессы, протекающие в коммутируемых цепях. Однако во время переходных процессов, например, при запуске двигателя или при возникновении аварийной ситуации, например, при ошибочном подключении аккумуляторной батареи, он может оказаться под прямым смещением, что может привести к появлению токов, способных вывести из строя как сам силовой ключ, так и подключенное к нему оборудование.

Наличие неуправляемого паразитного диода принципиально отличает коммутацию тока с помощью MOSFET от коммутации тока с помощью «сухих» контактов. При использовании N-канальных MOSFET, включенных по схеме с общим стоком, различают три режима работы силовой части (рисунок 3).

Рис. 3. Режимы работы силовых ключей PROFET

Рис. 3. Режимы работы силовых ключей PROFET

В нормальном режиме работы (Normal Mode) напряжение аккумуляторной батареи Vbb больше напряжения на выходе силового ключа VOUT, независимо от состояния MOSFET (открыт или закрыт) – ведь даже если силовой транзистор находится в непроводящем состоянии, при котором выходное напряжение равно нулю, условие Vbb > VOUT все равно выполняется. В нормальном режиме ток нагрузки IL может принимать только положительные значения (IL ≥ 0), при условии, что положительным считается ток, протекающий от стока MOSFET к его истоку (от вывода Vs к выводу OUT).

Если напряжение на выходе ключа VOUT становится больше напряжения аккумулятора Vbb (Vbb < VOUT), то ток через силовой ключ начинает протекать в обратном направлении (IL < 0). При этом, если транзистор продолжает находиться в открытом состоянии, то ток нагрузки протекает через его кристалл, а если в закрытом – то через паразитный диод. Этот режим называют режимом обратного (инверсного) тока или инверсным режимом (Inverse Mode). В некоторых случаях его также называют режимом рекуперации, поскольку при таком направлении тока электрическая энергия из цепей нагрузки возвращается обратно в аккумулятор. Следует отметить, что в режиме обратного тока напряжение на питающей шине никогда не меняет свой знак (Vbb ≥ 0), хоть и может уменьшаться практически до нуля.

Наиболее опасным для электрооборудования, рассчитанного на работу от источников постоянного тока, является режим, возникающий при обратной полярности питающего напряжения. В этом случае напряжение на питающей шине становится отрицательным (Vbb < 0), что может привести к протеканию в цепи нагрузки значительных обратных токов (IL < 0), ограниченных лишь малым активным сопротивлением соединительных проводов. Этот режим называют режимом обратного напряжения (Reverse Mode) или режимом переполюсировки.

Наличие нескольких режимов работы требует от разработчика четкого понимания особенностей поведения всех компонентов системы, поскольку даже кратковременная работа в любом из неправильно спроектированных режимов может стать причиной выхода из строя дорогостоящего оборудования и создания аварийной ситуации на дороге. Ситуация усложняется еще и тем, что в семейство PFOFET входят микросхемы с различной функциональностью (рисунок 4), и неправильный выбор силового ключа, не поддерживающего тот или иной режим работы, в будущем может стать источником проблем, которые будет сложно обнаружить и устранить.

Рис. 4. Разновидности интеллектуальных ключей PROFET

Рис. 4. Разновидности интеллектуальных ключей PROFET

Очевидно, что все ключи PFOFET поддерживают нормальный режим работы, ведь они для этого и разработаны. Если микросхема способна корректно работать в режиме обратного тока, то в ее технической документации должна присутствовать фраза «Inverse Current Capability». Аналогично, если ключ поддерживает работу при обратном подключении аккумулятора, то в его документации должна присутствовать фраза «Reverse Battery Capability» или зарегистрированный товарный знак ReverSafe™. Обратите внимание, что существуют микросхемы, поддерживающие как только один, так и оба «ненормальных» режима. Кроме этого, в семействе PFOFET существуют модели, не поддерживающие ни режим обратного тока, ни режим обратного напряжения.

Независимо от количества режимов, поддерживаемых конкретной моделью ключа PFOFET, их поведение, в любом случае, остается полностью предсказуемым, а параметры электрических процессов, протекающих в силовых цепях, при необходимости могут быть количественно определены. Из этого следует, что разработчику в первую очередь необходимо определить уровень функциональности, который действительно необходим в конкретной ситуации, и выбирать ключ, максимально соответствующий поставленной задаче.

Например, для подачи питания на обогреватель заднего стекла, способный работать при любой полярности питающего напряжения, совершенно не обязательно использовать ключ, поддерживающий работу в режиме переполюсировки, хотя, как будет показано далее, ключ, не поддерживающий этот режим, все же может выйти из строя. И уж точно, для такой нагрузки нет смысла использовать микросхему, поддерживающую режим обратного тока, поскольку при коммутации активных нагрузок его возникновение принципиально невозможно.

Особенности работы в нормальном режиме

В нормальном режиме работы (Normal Mode) аккумуляторная батарея всегда подключена с правильной полярностью (Vbb > 0), а ток, протекающий в силовой цепи, также всегда положителен (IL ≥ 0) (рисунок 5). В этом режиме напряжение на выходе ключа также всегда меньше либо равно напряжению питающей шины (Vbb ≥ VOUT). Это значит, что паразитный диод силового MOSFET всегда находится под обратным напряжением, и ток через него не будет протекать ни при каких условиях, за исключением небольших токов утечки, которыми можно пренебречь. Поэтому полностью управляемое напряжение на выводе OUT будет зависеть от состояния силового MOSFET.

Рис. 5. Электрические процессы в системе питания при нормальном режиме работы

Рис. 5. Электрические процессы в системе питания при нормальном режиме работы

Если силовой транзистор выключен (находится в непроводящем состоянии), то выходное напряжение VOUT равно нулю и ток нагрузки IL, соответственно, тоже равен нулю.

Если силовой транзистор включен (находится в проводящем состоянии), то выходное напряжение VOUT приблизительно равно напряжению аккумулятора Vbb, и в цепи нагрузки протекает ток, определяемый ее сопротивлением. В этом режиме необходимо следить за мощностью Р, рассеиваемой на ключе, которую можно рассчитать по формуле (1):

$$P=I_{L}^2\times R_{ON}\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

Сопротивление открытого канала MOSFET RON определяется из технической документации на микросхему. После расчета необходимо обязательно проверить, не превышает ли уровень рассеиваемой мощности P максимально допустимое значение для выбранных условий охлаждения, которое также приводится в технической документации. Если это условие не выполняется, то следует либо пересмотреть условия эксплуатации микросхемы, либо выбрать другую микросхему.

Например, при протекании тока IL = 10 А через силовой ключ с RON = 10 мОм (типовое значение) мощность тепла, выделяемого на кристалле микросхемы, будет равна:

$$P=I_{L}^2\times R_{ON}=10^2\times 0.01=1\:Вт.$$

Такая мощность в большинстве случаев не превышает максимально допустимое значение, поэтому можно считать, что ключ PROFET будет надежно работать во всем диапазоне температур окружающей среды.

Особенности работы в режиме обратного тока

Режим обратного тока (Inverse Mode) наступает в случае, когда напряжение на выходе ключа становится больше напряжения на питающей шине (Vbb < VOUT), и ток в силовой цепи начинает протекать в обратном направлении – от нагрузки в основной источник питания (IL < 0) (рисунок 6). При управлении нагрузками с чисто активным характером потребления, например, нагревательными элементами, такой режим теоретически невозможен, однако если в коммутируемой цепи присутствуют накопители или источники энергии, например, электродвигатели, дроссели, конденсаторы или батареи резервного питания, тогда вероятность возникновения этого режима очень высока.

Рис. 6. Электрические процессы в системе питания в режиме обратного тока

Рис. 6. Электрические процессы в системе питания в режиме обратного тока

Например, электродвигатель, работающий на основе явления электромагнитной индукции, в процессе набора оборотов и поддержания их числа является нагрузкой активного характера, однако в процессе торможения он может перейти в режим генератора, отдавая энергию, накопленную в его электромеханической части, обратно в источник питания, что переведет силовой ключ в режим обратного тока.

Этот режим может возникнуть также в случае, когда к выходу силового ключа подключены цепи, содержащие емкостные накопители, например, плата управления, в цепях питания которой обычно устанавливают фильтрующие электролитические конденсаторы большой емкости. Во время запуска двигателя стартер потребляет большой ток, что приводит к уменьшению напряжения в бортовой сети. Когда это напряжение станет меньше напряжения на конденсаторах, они начнут разряжаться, что приведет к изменению направления тока через силовой ключ и переходу его в режим обратного тока.

Например, в одной из моделей автомобиля периодически возникали неполадки в момент включения фар. Оказалось, что драйверы ксеноновых газоразрядных ламп (High-Intensity Discharge Lamp, HID-lamp) левой и правой фар имели небольшой технологический разброс, из-за которого одна из фар включалась на несколько миллисекунд раньше другой. Поскольку ксеноновые лампы являются достаточно мощными потребителями энергии, то при включении каждой из фар напряжение аккумулятора немного уменьшалось. В результате, при включении второй лампы, наличие энергии в элементах первого драйвера приводило к возникновению в цепях питания режима обратного тока, что и являлось причиной сбоев.

В режиме обратного тока паразитный диод силового MOSFET находится под прямым смещением, однако ток через него будет протекать только в случае, когда силовой транзистор находится в непроводящем состоянии, поскольку сопротивление открытого канала полевого транзистора намного меньше сопротивления диода. Однако в этом режиме канал полевого транзистора может быть открыт только в случае, когда данная модель силового ключа PFOFET поддерживает этот режим, то есть имеет в технической документации маркировку «Inverse Current Capability». Если такой параметр отсутствует, то в момент перехода силового ключа в режим обратного тока полевой транзистор будет автоматически выключен, и ток нагрузки всегда будет протекать только через паразитный диод.

Если силовой MOSFET в режиме обратного тока может находиться в открытом состоянии, тогда мощность тепла, выделяемого на его кристалле, определяется по формуле (2), аналогичной формуле (1):

$$P=I_{L}^2\times R_{ON(inv)}\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Сопротивление открытого канала MOSFET в режиме обратного тока RON(inv) берется из технической документации на микросхему. Обычно оно равно сопротивлению канала при протекании прямого тока (RON(inv) = RON), однако в общем случае эти значения могут отличаться. В этом режиме также необходимо следить, чтобы абсолютное значение обратного тока |IL| и уровень мощности Р, рассеиваемой на кристалле, не превышали максимально допустимые значения.

Поскольку сопротивление открытого канала MOSFET в режиме обратного тока невелико и соизмеримо с аналогичным параметром в нормальном режиме, то и уровень тепловыделения также будет небольшим. Например, для тока IL = –10 А и сопротивления канала RON(inv) = 10 мОм мощность тепла, выделяемого на кристалле микросхемы, будет равна:

$$P=I_{L}^2\times R_{ON(inv)}=(-10)^2\times 0.01=1\:Вт.$$

Как и в нормальном режиме, такая мощность обычно не превышает максимально допустимое значение для большинства ключей PROFET, поэтому подобный режим работы не должен вызывать каких-либо технических сложностей.

Совершенно другая ситуация будет в случае, когда микросхема PROFET не поддерживает работу в режиме обратного тока, либо во время этого режима силовой транзистор находится в непроводящем состоянии. В этом случае ток нагрузки IL будет протекать только через паразитный диод MOSFET, а на кристалле будет рассеиваться мощность, определяемая формулой (3):

$$P=I_{L}\times V_{OFF}\qquad{\mathrm{(}}{3}{\mathrm{)}}$$

Падение напряжения на паразитном диоде MOSFET VOFF также можно определить из технической документации на микросхему. Типовое значение этого параметра для кремниевых MOSFET, с учетом положительных направлений напряжений, принятых в этой статье, приблизительно равно VOFF = –0,7 В. В результате при протекании тока нагрузки IL = –10 А мощность тепла, выделяемого на кристалле микросхемы, будет равна:

$$P=I_{L}\times V_{OFF}=(-10)\times (-0.7)=7\:Вт$$

Такой уровень тепловой мощности уже является опасным для микросхемы и может привести к ее разрушению. В этом случае необходимо понимать, как долго микросхема PROFET будет находиться в этом режиме. Если это состояние не будет продолжительным, например, только на время переходных процессов, и не будет часто повторяться, то из-за наличия тепловой инерции кристалл просто не успеет разогреться до опасной температуры. В противном случае необходимо принимать меры по недопущению перегрева кристалла, например, путем принудительного открытия MOSFET, но это возможно лишь при поддержке микросхемой этого режима.

В любом случае, при выборе силового ключа PROFET следует внимательно изучать техническую документацию для того, чтобы четко понимать, как этот ключ будет себя вести в режиме обратного тока. Основные отличия поведения микросхем с поддержкой режима обратного тока и приборов, не поддерживающих данную функцию, приведены в таблице 1. Особое внимание необходимо обратить на тот факт, что микросхемам, не поддерживающим режим обратного тока, после возвращения в нормальный режим требуется некоторое время для восстановления работоспособности. Это значит, что силовой MOSFET в течение некоторого времени будет закрыт даже при наличии сигнала высокого уровня на управляющем выводе IN. Таким образом, в электроснабжении нагрузки будут возникать кратковременные перерывы каждый раз, когда ключ PROFET будет выходить из режима обратного тока, а это во многих случаях недопустимо. Кроме того, не следует забывать, что переход любого из каналов многоканального ключа PROFET в режим обратного тока негативно сказывается на управляемости остальных каналов и приводит к погрешностям измерения всех потребляемых токов. 

Особенности работы в режиме обратного напряжения

При эксплуатации автомобиля вероятность возникновения режима обратного напряжения (Reverse Mode) стремится к нулю, ведь для того, чтобы поменять местами провода на клеммах аккумулятора, необходимо выполнить определенную последовательность осознанных действий. Однако во время ремонта или сервисного обслуживания вероятность ошибочного подключения клемм аккумулятора значительно возрастает, даже несмотря на то, что производители прилагают максимум усилий для предотвращения этой ситуации. Перепутать полярность напряжения можно также при запуске двигателя от внешнего источника, что часто происходит, например, при потере емкости или глубоком разряде бортовой аккумуляторной батареи.

Изменение полярности напряжения питания является одним из самых опасных режимов, во время которого оборудование может очень быстро выйти из строя. Согласно современным требованиям, система электропитания автомобиля должна выдерживать подачу обратного напряжения Vbb = -14 В при температуре окружающей среды 25°С в течение одной минуты. Однако это касается системы электропитания в целом. Не следует забывать, что некоторые узлы при подаче обратного напряжения могут выйти из строя намного раньше, что требует принятия дополнительных мер для их защиты.

Таблица 1. Особенности поведения ключей PROFET в режиме обратного тока

Функция Микросхемы без поддержки режима обратного тока Микросхемы с поддержкой режима обратного тока
Путь протекания тока Только через паразитный диод MOSFET Через паразитный диод или канал MOSFET
Возможность управления транзистором Отсутствует. Если в момент возникновения режима транзистор был включен, он будет автоматически выключен Существует, но при переключении транзистора могут возникнуть дополнительные задержки.
Контроль тока нагрузки Отсутствует
Влияние на другие каналы (для многоканальных микросхем) Переход любого из каналов в режим обратного тока может ухудшить управление другими каналами и привести к появлению погрешностей при измерении токов
Контроль напряжений Vbb и VOUT Отсутствует. Бортовой компьютер не может однозначно определить, что микросхема находится в режиме блокировки из-за появления обратного тока Возможен. Бортовой компьютер может определить, что микросхема находится в режиме обратного тока
Переход в нормальный режим После выхода из режима обратного тока требуется некоторое время для восстановления работоспособности микросхемы, в течение которого напряжение на выводе OUT будет отсутствовать Сразу после завершения режима без перерывов в подаче питания на нагрузку

При подаче обратного напряжения (Vbb < 0) паразитный диод MOSFET окажется смещенным в прямом направлении (Vbb < VOUT), и в цепи питания начнет протекать обратный ток (IL < 0), ограниченный лишь сопротивлением в цепи нагрузки (рисунок 7). Однако если в технической документации на ключ PROFET присутствует обозначение «Reverse Battery Capability», то есть, данная микросхема поддерживает режим обратного напряжения, то силовой транзистор автоматически включится и ток будет протекать по пути наименьшего сопротивления – через канал MOSFET.

Рис. 7. Электрические процессы в системе питания в режиме обратного напряжения

Рис. 7. Электрические процессы в системе питания в режиме обратного напряжения

Столь необычный, на первый взгляд, алгоритм работы, тем не менее, имеет под собой вполне реальное техническое обоснование, направленное на повышение надежности системы электроснабжения в целом. Пусть, например, силовой ключ PFOFET установлен в цепи питания обогревателя, потребляющего в нормальном режиме ток 10 А. При неправильном подключении аккумулятора на этот обогреватель через паразитный диод будет подано напряжение Vbb ≈ -12 В, под действием которого в цепи начнет протекать ток IL ≈ -10 A. Если для управления питанием обогревателем используется ключ PFOFET, не поддерживающий режим обратного напряжения, то этот ток будет протекать только через паразитный диод MOSFET. При этом на кристалле микросхемы будет выделяться тепло, количество которого можно определить по формуле (3):

$$P=I_{L}\times V_{OFF}=(-10)\times (-0.7)=7\:Вт$$

Такой уровень тепловыделения может вывести из строя микросхему PFOFET, хотя обогреватель при этом останется в рабочем состоянии, ведь он нечувствителен к полярности напряжения питания.

Если же для управления обогревателем установить ключ PFOFET, поддерживающий режим обратного напряжения, тогда силовой MOSFET автоматически откроется и ток начнет протекать по его каналу. Мощность тепла, выделяемого на кристалле микросхемы, при этом уже будет определяться формулой (4):

$$P=I_{L}^2\times R_{ON(rev)}\qquad{\mathrm{(}}{4}{\mathrm{)}}$$

Сопротивление открытого канала MOSFET в режиме обратного напряжения RON(rev) определяется из технической документации на микросхему. Обычно оно соизмеримо с сопротивлением канала в открытом состоянии в нормальном режиме работы RON. Типовое значение этого параметра для большинства микросхем PFOFET приблизительно равно 12 мОм. В этом случае мощность тепла, выделяемого на кристалле микросхемы, равна:

$$P=I_{L}^2\times R_{ON(rev)}=(-10)^2\times 0.012=1.2\:Вт.$$

Очевидно, что данный уровень тепловыделений более безопасен для кристалла и в большинстве случаев не приведет к повреждению микросхемы.

Таким образом, при управлении нагрузками с помощью ключей PFOFET и переполюсировке аккумулятора напряжение на нагрузки будет подано в любом случае, однако при использовании ключей PFOFET, поддерживающих работу при обратном напряжении, количество тепла, выделяемого на кристаллах микросхем, может быть меньше, чем у микросхем без этой функции.

Если же подача обратного напряжения на нагрузки недопустима и гарантированно приведет к повреждению питаемых узлов, следует применять другие методы защиты, информацию о которых можно получить на официальном сайте компании Infineon. В таких случаях в системе обычно создается дополнительная питающая шина, защищенная от подачи обратного напряжения, к которой с помощью ключей PFOFET можно подключать питаемые узлы. Обратите внимание, что в этом случае уже нет необходимости в применении специализированных решений и можно использовать ключи PFOFET, не поддерживающие режим обратного напряжения.

В отличие от режима обратного тока, который может возникать в процессе нормальной эксплуатации автомобиля, в том числе и во время движения, режим обратного напряжения является аварийным и может возникнуть лишь во время технического обслуживания автомобиля. Это значит, что узлы автомобиля могут не функционировать в этом режиме, и главная задача разработчика сводится лишь к минимизации повреждений, вызванных неправильными действиями обслуживающего персонала. Поэтому при режиме обратного напряжения нет необходимости, например, в контроле токов, потребляемых нагрузками. Кроме того, поскольку бортовой компьютер в этом режиме не работает, то и подавляющее большинство функций автомобиля, в том числе и управление нагрузками, невозможно. Это значительно упрощает требования к ключам PROFET и уменьшает список функций, на которые необходимо обращать внимание (таблица 2). Следует отметить, что некоторые интеллектуальные ключи верхнего плеча PROFET имеют встроенную защиту от неправильной полярности питающего напряжения, а в большинстве случаев необходимо строить защиту на внешних дискретных компонентах, поэтому основным критерием выбора той или иной микросхемы является лишь уровень тепла, рассеиваемого на кристалле в этом режиме.

Таблица 2. Особенности поведения ключей PROFET в режиме обратного напряжения

Функция Микросхемы без поддержки режима обратного напряжения Микросхемы с поддержкой режима обратного напряжения
Путь протекания тока Только через паразитный диод MOSFET Только через канал MOSFET
Возможность управления транзистором Отсутствует. Транзистор всегда остается в выключенном состоянии Отсутствует. Транзистор всегда остается во включенном состоянии
Контроль тока нагрузки Отсутствует
Переход в нормальный режим Автоматически после восстановления правильности подключения аккумулятора

Заключение

Интеллектуальные силовые ключи верхнего плеча PROFET являются высокотехнологичными устройствами, рассчитанными на эксплуатацию в самых жестких условиях. Они позволяют заменить плавкие предохранители и электромеханические реле и, тем самым, вывести системы электропитания автомобилей на совершенно новый уровень качества, не доступный при использовании традиционной элементной базы. Однако сколько бы усилий не прилагали специалисты компании Infineon в направлении повышения качества выпускаемой продукции, итоговая стабильность и надежность системы электропитания зависит от правильности выбора модели ключа PROFET и тщательной проработки всех режимов работы, которые могут возникнуть в реальных условиях эксплуатации.

•••

Наши информационные каналы

О компании Infineon

Компания Infineon является мировым лидером по производству силовых полупроводниковых компонентов, а также занимает ведущие позиции по производству автомобильной полупроводниковой электроники и смарт-карт.  В 2015 году компания Infineon приобрела компанию International Rectifier, тем самым значительно усилив свои лидирующие позиции в области силовой электроники. Это сочетание открывает новые возможности для клиентов, так как обе компании превосходно дополняют друг друга благодаря высокому уровню ...читать далее

Товары
Наименование
BTT60201ERAXUMA1 (INFIN)
BTT60301ERAXUMA1 (INFIN)
BTT60302ERAXUMA1 (INFIN)
BTS70082EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70102EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70122EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70202EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70302EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70402EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70802EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70081EPAXUMA1 (INFIN)
BTS70401EPAXUMA1 (INFIN)
BTT60101EKAXUMA1 (INFIN)
BTT60201EKAXUMA1 (INFIN)
BTT60301EKAXUMA1 (INFIN)
BTT60302EKAXUMA1 (INFIN)
BTT60501EKAXUMA1 (INFIN)
BTT60502EKAXUMA1 (INFIN)
BTT60302EKBXUMA1 (INFIN)