MOSFET在安全系统中的完美实现

　　随着化的加剧，竞争日益激烈，各个公司在提高生产效率的同时，不断引进新的生产设备，虽然提高了生产设备的自动化程度，但同时也带来了设备安全问题。生产因素中人作为要素，他们的安全问题，在各个企业越来越受到重视，企业既要保证生产，又要保障工人的人身安全。以汽车生产厂为例，尤其是在自动化程度较高的焊装车间，大量的焊接机器人和搬送线体出现，造成了许多需要安全保护的危险区域，所以安全传感器的使用已经非常普遍。目前，国内大部分企业设备安全，主要由现场的急停信号通过PLC处理，但其安全等级只能达到2级标准，远远不能满足生产现场的要求，如果将原有的PLC控制系统撤除，造成很大浪费，因此增加一个安全控制系统，通过网络链接到现有的PLC系统上，形成一个安全网络系统。在远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

　　金属-氧化层-半导体-场效晶体管，简称金氧半场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其"通道"的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET,通常又称为NMOSFET与PMOSFET,其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。

　　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。

　　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。

　　数位科技的进步，如微处理器运算效能不断提升，带给深入研发新一代MOSFET更多的动力，这也使得MOSFET本身的操作速度越来越快，几乎成为各种半导体主动元件中快的一种。MOSFET在数位讯号处理上主要的成功来自CMOS逻辑电路的发明，这种结构的好处是理论上不会有静态的功率损耗，只有在逻辑门（logic gate）的切换动作时才有电流通过。CMOS逻辑门基本的成员是CMOS反相器（inverter），而所有CMOS逻辑门的基本操作都如同反相器一样，同一时间内必定只有一种晶体管（NMOS或是PMOS）处在导通的状态下，另一种必定是截止状态，这使得从电源端到接地端不会有直接导通的路径，大量节省了电流或功率的消耗，也降低了积体电路的发热量。

　　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。

　　◎温度过高也容易发生故障问题

　　组件引脚的静电放电（ESD）、线路瞬间电流，以及电感负载开关产生压力过高，另外就是过热的问题。在众多设备中，一旦组件的温度过热就容易导致故障的发生，甚至是引起其它组件发生故障。就像电路系统的短路现象，容易使组件发生过高的功耗，或者是在极冷、极热的环境条件下，使组件的散热设备或电路板间的焊锡产生失效情况。在这么多可能导致故障的情况下，具自我保护MOSFET组件的控制电路，则是在一种安全模式来加以监测，甚至是控制组件工作情况，一旦组件临时发生故障，还能立即修复并恢复到正常功能，甚至能够进一步降低汽车上的控制组件的体积尺寸，还具有提高可靠性，而传感器方面则具有自我故障诊断、工作状态监测及温度感测、过电压以及过电流断电的保护等功能。

　　图说：汽车电子的输出系统在一般情况下也需要对由短路或电机堵转所造成的过电流现象进行自我保护，因此，MOSFET在设计上，采取高频率性能、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良的设计方式。

　　如何在温度过高的情况下达到自我保护作用

　　在一般的汽车上，所使用的过温保护组件，是利用对温度较为敏感的组件，如二极管的偏压来加以实现。假设上述的这些组件监测到芯片结温温度超过当初所设定的数值，电路系统便会将具有主功率的MOSFET门极拉到接地，并在时间就关闭该组件，使其中的部份内置组件能暂停电流传递动作，待芯片的温度稍微下降到适当的温度之后，才会导通电流至正常状态。

　　当发生温度过高的故障之后，有两个主要问题必须要解决。

　　，当温度限制开关断电路与电流限制电路一起协同运作时，有可能产生的高温故障问题。当电流产生限制电路时，将门极节点的电压增加到阀值电压的附近，同时迫使组件进入工作模式的情况，并在不同的组件结构下，产生不同的参数值与分析的数据结果，如此便可保持电流限制的设定点随时符合高电流及低功耗的特性，以满足从机械形式进展成机电形式的汽车电子系统。

　　对于采用热滞后电路让零件在过温故障情况下循环导通和关闭的组件，结温将稳定在滞后电路高低设定点之间的温度。这与高温可靠性测试类似，都取决于组件在故障情况下的工作时间。一般来说，当组件的可靠性下降变成一个受重视的问题时，别指望在故障情况下该组件工作几千小时或更长时间。

　　第二、当设备持续地进行作动，使组件的温度过高有可能会导致自我保护作用失效，发生组件故障的可能情况。这是因为关电感负载或变压器负载的同时，其输出的放大功率会因为频率的不同，而产生差异与变化，此时的电路组件便会主动吸收存储在负载电感中的能量，这对于应用在汽车电子、电路系统的MOSFET标准组件系统来说，是非常重要的。因为，一旦结温超过内部所能承受的温度，组件不再具有半导体特性，门极的控制动作容易产生错误情况，除非漏极电源功率立即消失，否则晶体管门极长度缩短，会导致门限电压（thresholdvoltage）因此而降低，进而产生短通道效应（short-channeleffect），将使得设备的电路组件受到破坏。

　　自保护的MOSFET可能遭受同样的情况，因为当门极输入电压对控制电路进行偏置时，由于门极偏置为零，过温限制电路处于无效状态。在正常工作和坏的故障情况下（如器件间歇性短路的情况），电路设计人员必须确保器件吸收的能量不超过额定值。另外，即使出现能量额定值，能量脉冲之间必须有足够的时间让结温冷却到初始结温。否则，结温在每个能量脉冲之后升高，终达到内部故障温度。

　　图说：汽车电路架构的未来将以42VPowerNet供电网络和过渡性双电压网络进行转变的战略，为电气和电子系统架构提供了许多革新的机会。

　　，微机电的发展对汽车电力、电子设备的控制系统、故障自我侦测、讯号处理等，也是具有时代性的重要象征，而在电源接口也需要具有过电流的自我保护功能，展现目前汽车电子产业体系所导入的电源标准，并针对汽车电源的部分进行自我保护，以防止各种类型的故障发生，如：接触不良的电缆或接头插入到商品时，产生短路或造成车上其它电子设备的损坏。由此可见，未来微机电在汽车上的应用还会持续的发展，包括：微电子技术、电力技术等运用到汽车上的电力、电子组件中，才能开发出更多且适合用在汽车上的电力、电子组件自我保护系统。

　　车上的电流限制可以透过使电阻保险丝、开关或MOSFET组件技术来加以实现。目前很少采用电阻保护方案，因为它会在正常电流状态下产生过大的电压降。有可能采用性保险丝方案，但是这种保护易于损坏，而且必须在产生故障后予以更换。双金属开关的局限性在于它存在反复接通，并有可能导致触点熔连故障。在很多汽车应用中，的保护方案为MOSFET组件技术，这种组件在正常工作状态下呈现低阻抗，而在产生故障时呈现高阻抗；如此一来，便能使汽车电力自我保护系统呈现化的状态。