车载电气系统向 48V 电压的转换，也对保险丝和断路器提出了新的要求。这主要是由于 48V 系统电压较高，而机械式继电器适用范围有限。
高电压意味着继电器在断开的瞬间会产生电弧，这就会影响到继电器的使用寿命。此外，产生的电弧会对车载电气系统造成干扰。因此，当前主流车型中所采用的机械式继电器，越来越多地被基于功率半导体的自恢复保险丝元件所取代。电子保险丝或 E-Fuse 是一种创新解决方案，能够防止过载从而保护电动汽车电池，因此电子保险丝可以被用来替换存在技术缺陷的机械式继电器。
方案优势概览
(资料图)
Vishay 推出一种用于 48V 电气系统的电子保险丝参考设计方案，不仅证明这种应用的技术可行性，还证明公司自有功率半导体的性能。通过采用新一代技术和研发成果，一个小型化的 200A 的电子保险丝方案得以在 125mm x 60mm FR4 PCB 上实现 (图1)。
Vishay 开发的 FR4 PCB 电路板两面装熔丝
大电流，高效率
由于采用MOSFET 背对背地连接，使得该设计方案可用作双向保险丝。该方案采用Power Metal Strip®系列作为检流电阻测量最大的电流值。在车载应用中这种低阻值电阻特别适合用于精确电流测量。可通过电位器或者控制器在 1-200A 范围内手动调整关断电流。当电流超过被允许的最大值时，MOSFET 会在 1 μs 内断开电路连接。这种快速响应对于防止汽车电池过载非常重要。该方案的目的是展示采用了分立半导体元件的模块化结构设计。由于采用多个 MOSFET 并联的模块化设计，因此熔丝也适用于其他功率等级或要求。Vishay 丰富的电阻产品亦可满足相应功率的要求。
通过采用多个功率 MOSFET 管并联连接，这种设计既提高最大电流至 200A，又降低了功耗 (图2)，并且还可以轻松满足不断变化的要求。该参考设计采用新一代Vishay 半导体。得益于采用低“导通”电阻的 MOSFET 管和并联的连接方式， 在 200A 电流条件下功耗仅为 14W。200A最大电流连续工作状态下，MOSFET 和电路板温度约为 75°C。因此，即使在严苛的车载使用环境下，该电子保险丝设计亦不需要额外冷却。只有使用电气和热性能出色的元件才能实现这样的结果。
事实证明，PowerPAK 8x8L是正确的选择。由于优化了散热设计，MOSFET 管具有非常好的散热效果。此外，由于采用鸥翼引脚设计 MOSFET 管的焊接点具有很好的抗热膨胀性，使得其外壳适于各种要求严格的应用。该 MOSFET 管也提供背面冷却型号可以满足优化设计或者更高电流的需求。这样，散热器可以直接装在漏极触点的焊点上。半导体与冷却系统直连可以降低硅片与冷却系统之间的热阻，增加 MOSFET 载流量，实现更优异的设计性能。贴片式NTC温度传感器测量功率 MOSFET 的温度，监测半导体器件的应力。
图2: 半导体器件并联，实现保险丝的模块化结构
精确的电流测量Power Metal Strip®系列检流电阻主要适用于精确测量电流。有别于其他在其测量范围或温度范围有局限的测量方法，检流电阻在整个工作区域内非常稳定，不受环境(如温度或电压变化)干扰的影响。Vishay 的 Power Metal Strip® 系列检流电阻有各种功率和阻值选项，便于满足不同的性能设计要求。
在放大器电路中采用薄膜排阻精确测量电流。这些元件拥有分立薄膜电阻的优点特性，以及仅用一个元件的事实。排阻的两个电阻在生产过程中是精确匹配的。这样，在可能发生干扰的情况下，组件的行为几乎相同，因此电阻比不变，从而显著提高测量精度。
现已证明，电子保险丝取代机械式继电器是可行的，甚至更有利。该解决方案可减少车载电气系统和车内其他设备的干扰。此外，半导体不受开关循环次数的限制，因此可以用作永久保险丝或断路器。由于电子保险丝采用模块化结构，该设计可以很容易地调整和细化，以适应不断变化的需求。
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作者介绍：Stefan VolkmannStefan Volkmann 在位于德国泽尔布的Vishay Europe Sales有限公司担任高级现场应用工程师。他拥有德累斯顿工业大学特许工程师文凭 (Dipl.-Ing)。在德国，Stefan拥有在不同行业担任现场应用工程师的经历，并于2018年开始专注于汽车市场。他负责支持德国主要汽车客户的应用工程和相应的业务开发。
