车上所使用的灯泡到继电器、从LED显示照明到起动马达,许多组件的多元应用,不仅提供了各式各样的高负载性、低成本效益的解决方案,另外也必须兼具注重安全性汽车所要求的通讯及诊断能力。因此,为了增加车上电子系统的可靠性及耐久性,除了降低维修成本之外,设计人员在功率器件中加入故障保护电路,才能避免组件发生故障,降低电子系统所造成损害。
另外,在一般汽车行驶的情况下,一旦出现了车上的组件出现故障状况,将导致汽车上的电路系统发生短路,或电源无法供电。在远程传感器中采用车用金属氧化半导体场效晶体管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor;以下简称MOSFET)组件技术后,将能适时地保护发生故障的组件,或者在汽车线束及故障组件之间形成一个很高的阻抗,降低故障的发生率。
车用MOSFET组件与自我保护技术
新车型的设计在某种程度上依赖电子电路的设计,用来降低成本、提高可靠性及丰富功能,另一方面也随着电气及电子系统不断地增加,以及它们占大部分汽车成本和重量的现实情况,使得电路保护设计成为设计工作中的一个关键因素。因此,为了汽车上组件适用性的问题,一般汽车组件的设计工程师大都会使用外部传感器、分立电路或者是使用软件来加以因应。不过,以目前的发展趋势来看,随着技术持续的发展,MOSFET这可归类在多载式导电的单极型电压控制组件,除了具有高频率性能、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良等优点之外,还能使功率组件更能够符合最低的系统成本,藉以达到更为优异的故障自我保护系统。因此,大部分的设计人员转而采用具有保护作用的MOSFET功率组件来完成。
图说:一般的汽车电路系统架构,大致上可简单分为嵌入式与便利端口等两种形式,而目前所使用的技术规范中,定义了MOSFET组件的技术规范。
在过去这几年当中,在汽车内、外部安装了电子设备,藉以控制汽车主体功能的汽车厂商持续地快速增加,使得车用半导体的应用数量也有显著的提升。而在复杂的车用电子系统中,几乎所有使用的功率组件除了要能因应环境快速的变化之外,在面对到电子产品关闭瞬间电流,及负载切断电源故障所引起的高压变化时,能有其因应之道。
另外,还有一点就是当车内的环境工作温度一旦超过100℃∼120℃的时候(如:引擎室、轮胎周围等),很容易就会产生组件结温的情形,进而影响到组件的可靠度及其它可能发生故障的问题。还有一个问题就是车上复杂的线束问题,在车用线束中有许多的连接器,因为汽车上有越来越大功率需求,即便是在一般的应用条件下,组件所要承受的压力相对提高,也很有可能造成组件电气连接发生间断性的故障问题。
为了使汽车能具有更大的电流需求,以因应目前的潮流,使得汽车半导体厂商必须开发电源MOSFET组件技术,以降低电流流动时的电阻值,使得目前MOSFET在车用电子、电力系统中,已有越来越多的应用,也不难看出其重要性。现阶段,除了满足车上多变的应用环境之外,还得要顺应国际组件的标准需求,达到更有效率的能量利用率,以及最低成本的应用优势,才能进一步符合汽车市场对于功率组件的要求。因此,车用电子设计工程师在为汽车电子产品设计电力系统的同时,除了适宜性、可靠性及耐久性等产品本身的问题之外,还必须要面到各式各样艰难的技术问题。
图说:随着电力需求的增加,提高了线束的复杂度,增加了对汽车的电线、重量以及封装的限制。因此,每条电气线路都要求针对短路和过载提供充足的电路保护措施,虽然,每个电气负载理论上都可采用自身专用的熔断器进行保护,但是熔断器在熔断后必须进行更换。
汽车电子系统中还有哪些问题尚待解决
◎车上系统的短路故障问题
如果在车上电路系统组件之间,一旦发生了短路故障的情况,会使得MOSFET立即关闭,短路的电流会通过MOSFET周围来进行分流,很容易就能发现故障问题的存在。不过,一旦电路系统的短路现象是属于间歇性,或者负载为电感的情况下,电流停止时会在MOSFET上产生一个反激式电压(Flyback),来加以判断负载电感中的峰值电流是否高于正常工作时的峰值电流。因此,组件所吸收的能量会比原先预期的还要多,而多个间歇性发生短路的情况,也会转为连续而快速发生,进而导致峰值结温快速提高,容易对组件本身产生潜在性的破坏。