電子保險絲半導體開關實現安全保護

作者 : Ralf Hickl,儒卓力(Rutronik)汽車業務部門產品銷售經理

保險絲用於許多電力電子領域。直到最近,安全保險絲才被普遍用於電纜、消費電子產品和電壓源的保護。然而,使用半導體開關能夠帶來更多優勢。

保險絲可以保護電氣電路中的元件。如果發生超載或短路,將觸發保險絲並斷開電路。這樣可以防止損壞,並降低維修成本。設計關斷特性的理想方式,應該是在其他元件(例如電纜、半導體或電路上的被動元件)受到損壞之前便切斷電流。

因此,正確設計尺寸合適的保險絲,會是電路上最薄弱的環節。受保護元件的熱特性至關重要,例如電纜、線束或所連接控制單元中的半導體開關等。

電子保險絲包含半導體開關及其控制邏輯,包括保護和診斷功能,但不具備安全保險絲或電磁觸發的機械觸點。

保險絲的特性

安全保險絲是一次性產品。它們在電流的兩個方向上進行傳導、保護和分離。在負載(取決於運行狀態)由馬達或發電機作用的電路中,這種雙向性是一個優勢。這也包括能夠進行再生制動(蓄能)的牽引逆變器。

另一方面,電子保險絲則可以任意次數觸發並重置。由於採用了本體二極體,因此設計採用單個MOSFET,因為開關僅在一個電流方向上斷開。因此,為了實現雙向斷開,需要切換兩個反串行MOSFET,這意味著成本更高。與安全保險絲不同,對應的電子產品具有自己的功率要求。對於電池驅動的裝置,尤其需要考慮到這一點。

切斷行為

常規安全保險絲的特徵在於規定了額定電流和觸發行為(遲滯、敏捷、超敏捷等)。而對於電子保險絲,則可以設置靈活的切斷標準,包括:

  • 功率規格(最大負載總和或熔化總和)
  • 過電流
  • 保險絲輸入端的過電壓或欠電壓
  • 超載(功率)
  • 過熱——環境或保險絲中

保險絲製造商還可以設定電子保險絲的觸發行為。例如,可以先限制電流然後切斷,或者立即切斷並等待復位。

由於電子保險絲已經包含開關,也可以用於此項功能。因此,其他任何開關都是多餘的,而其他功能如軟啟動還可以使用脈衝寬度調變(PWM)控制開關來實現。

啟用

安全保險絲通常是一次性產品。一旦完成其功能,便無法再使用,必須更換。

對於電子保險絲,則可以使用可配置的半導體開關邊緣陡度或利用PWM控制來實現軟啟動。觸發後,它可以自動重新打開,並以預先定義的重複次數來嘗試重置迴圈。另外,也可以僅根據具體要求進行重置。在這種情況下,有網路連接更有優勢。

特別是在必須滿足安全完整性等級(ASIL)要求的系統中,診斷功能是不可或缺的基本產品特性。在這方面,電子保險絲也具有優勢,因為可以直接整合診斷功能。此外,恆定電流計量可以建立和分析負載曲線,其結果可以用作早期警告,也可以用作採取預防措施的方法,例如預防性維護和更換磨損的零件。

電子保險絲的其他特性

在超載情況下,具有附加功能的電子保險絲有很大優勢。在發生短路的情況下,其切斷速度更快,這意味著車載電源其餘部分的電壓下降持續時間較短。這對於在該處安裝的電子電路很重要;在長時間停電和隨後的上電之後,將需要重置並重新開機才能再次運作。在關鍵輔助系統上,如果在行程中重新開機,系統可能會失效,這可能是極其危險的——這裡的關鍵是「安全電源」。

可以設計電子保險絲,以便在切斷保險絲之前將電流限制在定義的最大值。即使發生短路,板上電源系統的電壓也不會下降太多,不會導致其他控制單元重置。另外,漏感能量電荷受到限制。當發生振盪時,這可保持較低的電壓尖峰。沒有火花隙,開關/保險絲便不會出現電弧,這使得電子保險絲更適合在防爆領域使用。

產品範例

下表顯示了用於電子保險絲的半導體元件的選擇。部分元件針對特殊應用而開發,例如,智慧高階驅動器仍需要附加邏輯功能才能實際用作保險絲。ST-Microelectronics的STEF01享有很高聲譽,它的過電流(OC)、過電壓(OV)、欠電壓(UVLO)和壓擺率均可以利用外部被動元件(完全可程式設計)進行配置,亦可安裝一個外部FET來實現反向電流阻斷電路。

 

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