1. 汽車控制器中反極性電壓保護電路設(shè)計
   

2. 
   

3. 摘要

在裝配或者修理的日常操作中，汽車電源線反接使得汽車控制器容易遭受反向電壓的損壞，因此相關(guān)的汽車法規(guī)，以及各整車廠都對汽車控制器的防反接能力做了要求；一般來說需要能夠忍受-14V 的反極性電壓。

同時汽車的惡劣環(huán)境會產(chǎn)生各種浪涌電壓，ISO7637 標(biāo)準(zhǔn)作了相關(guān)的測試說明，其中波形 1 的負(fù)極性浪涌脈沖時間相對反接測試時間更短，而最低電壓遠(yuǎn)低于-14V，因此工程師需要通過分析計算來確定電路參數(shù)，提高電路的穩(wěn)定性。

該文章首先講述反極性電壓的保護方案及其優(yōu)缺點，然后以英飛凌的一款 P 通道MOSFET 為例來說明如何分析電路的抗脈沖能力。

2. 反極性電壓保護方案

常見保護方案的主要器件可以是二極管，N 通道或者 P 通道的MOSFET，下面就這三種方案進行說明。

• 二極管應(yīng)用

二極管是最簡單的反極性電壓保護方案，如圖 1：

正常工作時二極管正向?qū)ǎ聪螂妷簳r二極管截止；盡量選擇壓降小的二極管,以減少系統(tǒng)供電低時對系統(tǒng)的影響。

由于二極管正向壓降基本不變，因此隨著正常工作電流增加，消耗在二極管上的功率也要相應(yīng)增加。

• 承受電壓電流能力出色的 N 通道 MOSFET

如果需要在正常工作時更低的功率消耗，可以選用 MOSFET，如圖 2：

MOSFET 由于工藝原因都會存在體二極管，和普通二極管工作原理相同，影響各種狀態(tài)下電流的流向。圖 2 是 N 通道 MOSFET 反極性保護的示意圖，正常工作時相當(dāng)于高邊開關(guān)的導(dǎo)通狀態(tài)，MOSFET 的 Source 端接在高邊，Drain 端接在低邊；由于是高邊應(yīng)用，Gate 端需要有一個泵升壓電路來保證 V-Gate 高于 V-Source，正向電壓時處于導(dǎo)通狀態(tài)。關(guān)鍵在于泵升壓電路接地的二極管，當(dāng)系統(tǒng)處于反極性電壓時，這個二極管截止，保護泵升壓電路的同時使泵升壓電路不工作，最終導(dǎo)致 N 通道 MOSFET 關(guān)閉，從而保護系統(tǒng)免受反極性電壓損壞。

這個電路的缺點是設(shè)計復(fù)雜，泵升壓電路本身有功率消耗和 EMC 等問題。優(yōu)點是總體的功率消耗都要減少，減少的程度取決于 MOSFET 的內(nèi)阻選取，大致相當(dāng)于二極管的幾分之一；特別是在電流非常大的應(yīng)用領(lǐng)域，不僅單個的 MOSFET 的電流能力可以很大，還可以考慮并聯(lián) MOSFET，減少并聯(lián)內(nèi)阻的同時減少功率消耗，增加電流能力。

英飛凌是汽車電子器件的領(lǐng)導(dǎo)者之一，可以提供從 30V 到 100V 不同電壓等級的 MOSFET，比如IPB 100N10S3-05耐壓 100V 的同時可以承受最大持續(xù)電流 100A；IPB180N06S4-H1可以承受最大電壓 60V，最大持續(xù)電流 180A。

因此這兩款 MOSFET 特別適合應(yīng)用在需要大電流通過的系統(tǒng)上，比如電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，持續(xù)電流 60A 時在 IPB 100N10S3-05 上消耗大約 17W 功率，同樣的電流在二極管上則要消耗功率超過 40W （P=UI）。

• 設(shè)計簡潔的 P 通道 MOSFET 電路

N 通道 MOSFET 電路的泵升電路會讓不少工程師望而卻步，造成的 EMI 甚至?xí)尞a(chǎn)品測試不能通過，這時可以考慮 P 通道 MOSFET 進行電路設(shè)計，如圖 3：

正常工作時首先電流正向經(jīng)過體二極管，source 端電壓接近 12V，Gate 端電壓為零，相對于 Source 端是負(fù)電壓，MOSFET 完全導(dǎo)通，電流由 Drain 流向 Source；鉗位二極管保護 Gate端不超過額定電壓。

當(dāng)系統(tǒng)處于反極性電壓時，鉗位二極管正向?qū)?，Gate 端和 Source 端的相對電壓只有0.7V 左右，MOSFET 關(guān)閉，從而保護系統(tǒng)免受反極性電壓損壞。P 通道 MOSFET 由于工藝和成本原因，可選器件的耐壓等級會低于 N 通道 MOSFET。

英飛凌可以提供 30V 和 40V 兩個等級的 P 通道 MOSFET 應(yīng)用在汽車電子控制器上，比如 IPB180P04P4-03可以承受 40V 最大電壓和 180A 最大電流。

• 方案比較

上面的三種方案，小電流的時候可以使用二極管，成本低廉，電路簡單，但是在電流增加的情況下發(fā)熱會越來越嚴(yán)重；這時候可以用 MOSFET 電路來代替，使用 N 通道或者 P 通道，主要要考慮的因素是價格以及 EMC 效果，見表 1。

電源反接的時的反極性電壓一般是-14V，因此對于以上三種電路只要選型合適都可以承受。ISO 7637-2 標(biāo)準(zhǔn)的波形 1 對浪涌電壓的測試參數(shù)進行了說明，其中脈沖的最低電壓可以達(dá)到-100V，二極管和 N 通道 MOSFET 只要選擇耐壓 100V 以上的器件，都可以滿足要求，直接阻斷負(fù)電壓；P 通道 MOSFET 由于工藝和成本限制，耐壓通常要低于 100V，因此在 P 通道MOSFET 的電路方案中，反向脈沖會照成 MOSFET 的雪崩擊穿。

3.英飛凌 P 通道 MOSFET 浪涌電壓保護計算

MOSFET 型號:IPB180P04P4-03

參考標(biāo)準(zhǔn) ISO 7637-2:2004(E)

由于 tr 相對 td 時間很短，只有微秒級，可以假定這個波形是個理想的直角三角形，橫坐標(biāo)持續(xù)時間 td(2ms)，縱坐標(biāo)峰值為 Us(-100V)。同時負(fù)載在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定為 10Ω。

IPB180P04P4-03 的耐電壓 40V，典型雪崩電壓可以估算 1.4 x 40V = 56V，可以通過斜率的比例很方便的算出雪崩的時間：

參照 MOSFET 的手冊參數(shù)，IPB180P04P4-03 可以在 25℃的環(huán)境溫度，峰值 60A 的電流情況下承受 90mJ 的單次雪崩能量擊穿，器件不會有損壞或者失效。本次測試的峰值電流只有 4.4A，可以簡單的認(rèn)為 MOSFET 可以成比例的承受更高的能量(40A/4.4A) x 90mJ = 818mJ，遠(yuǎn)高于本次 82mJ 的雪崩能量。

IPB180P04P4-03 的穩(wěn)態(tài)熱阻只有 1K/W（瞬態(tài)熱阻更低），所以單次浪涌脈沖對器件只能照成 0.11℃左右的溫升。

4. 結(jié)論

英飛凌提供了應(yīng)用于汽車電子領(lǐng)域的各種電壓等級和電流能力的 MOSFET 芯片，適用于各種不同需求的反極性電壓保護方案，在實際應(yīng)用中有諸多的成功案例可以借鑒，工程師可以根據(jù)實際需要的各種參數(shù)進行選擇。(英飛凌igbt廠家)