中心議題：

• 汽車電子設備電源極性接反的傳統二極管保護方式
• 汽車電子設備電源極性接反的聚合物正溫度係數保護方式

解決方案：

• 大功率MOSFET電路的保護
• 電機保護

qichedianzishebeibixujubeiyingduidianyuanjixingjiefanguzhangdebaohugongneng。dangtiaoxiandianlanlianjiedaocuowudejixingduanzi，huozhelianjiedaoguofangdiandexudianchishi，yijizaixinxudianchideanzhuangweizhidiandaoshidouhuifashengdianyuanjixingjiefan，ruguobucaiquxiangyingdebaohucuoshi
，guoduoderelianghuidaozhidianzimokuaichuxianguzhang，huozhedaozhiqicheshangdefuzaishebeirudiancifahedianjichuxianguzhang
，zaochengbuanquanyinhuan。chuantongdebaohujishujiaoweianggui，bingqiehuizaochengdianyajiangguoda，congeryingxiangmouxiexitongdexingneng。ercaiyongjuhewuzhengwenduxishu（PPTC）器件的新技術
，例如Raychem的PolySwitch產品，就能同時解決這些缺點

，而且還具有其他的優勢。

傳統的二極管保護方式

為了保護電子模塊不因蓄電池極性接反而損壞，常用的解決方案是使用一個正向導通（整流）二極管來防止電流反向流動（見圖1）。

采用正向導通二極管最根本的缺點就是內在的電壓損耗（0.7～1.0V）
，以及電子模塊的實際供電電壓降低。對於係統中的某些汽車電子模塊（如發動機控製裝置）來說，工作電壓是至關重要的，而且減少任何形式的電壓降（例如正向導通二極管兩端的電壓值）對於確保車輛在蓄電池電壓較低的狀態下正常起動具有重要的意義。在另外一些情況下
，例如音頻係統，係統電壓對輸出功率（Po=V*I=V2/R）youzhezhijiedeyingxiang。yejiushishuo，huizhijieyingxiangyinpinxingneng。weilejiangdianyasunhaokongzhidaozuidi，mouxiedianzimokuaicaiyonglexiaotejierjiguanlaijiangdidianyajiang
，yibanqingkuangxiakejiangdianyajiangkongzhizai0.5V以下。

如果在電池極性接反的保護中使用了標準的整流二極管或肖特基二極管
，二極管的電流承載能力（電流額定值）就取決於將要連接到二極管上的負載的大小。在通過電子模塊的電流值小於1A時，標準整流正向導通二極管的成本相對較低（低於0.05美元）。但是，如果使用了肖特基二極管，或者電流超過1A時，其成本就會相對增加。

在選擇正向導通二極管的大小時需要考慮的另一個因素是浪湧電流的大小
，以及設備能夠吸收和分散在“負載斷流”時(shi)所(suo)發(fa)生(sheng)的(de)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)的(de)能(neng)力(li)。交(jiao)流(liu)發(fa)電(dian)機(ji)正(zheng)在(zai)供(gong)給(gei)電(dian)流(liu)時(shi)，將(jiang)汽(qi)車(che)的(de)蓄(xu)電(dian)池(chi)連(lian)接(jie)斷(duan)開(kai)，會(hui)造(zao)成(cheng)負(fu)載(zai)斷(duan)流(liu)的(de)事(shi)件(jian)。一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)，這(zhe)種(zhong)負(fu)載(zai)斷(duan)流(liu)的(de)波(bo)形(xing)在(zai)幾(ji)毫(hao)秒(miao)內(nei)將(jiang)達(da)到(dao)其(qi)峰(feng)值(zhi)電(dian)壓(ya)。而(er)對(dui)於(yu)矽(gui)器(qi)件(jian)來(lai)說(shuo)
，通(tong)常(chang)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)到(dao)最(zui)差(cha)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)額(e)定(ding)值(zhi)。

聚合物正溫度係數保護方式

例如PolySwitch的產品等聚合物正溫度係數器件，由半晶體juhewuhedaodianxingkelidefuhetizucheng。zaizhengchangdeyunxingzhuangtaixia
，qijianneidedaodianxingkelixingchengyigeyunxudianliuliuguodedizuzhitonglu。erzaizaochengwenduguogaodeguzhangzhuangtaixia，liruguodianliuhuohuanjingwenduguogaodeqingkuang，juhewuneidejingtikaishironghua，bingxingchengyizhongwudingxingwuzhi，bingzaochengdaodiankelizhijiandefenli，daozhiqijiandedianzuzhichuxianfeichangdadefeixianxingzengjia。zhezhongdianzuzhidezengjiatongchangzai3個數量級以上，從而將電流降低至相對較低和安全的水平。PolySwitch聚合物正溫度係數器件在故障清除後和電路電源斷開後複位。

采用PolySwitch器件來取代上述應用中的正向導通二極管（見圖2）
，提供了包括減少電壓降等多項優勢，這是因為聚合物正溫度係數（PPTC）器件兩端的電壓降一般在0.1V以上。其次
，聚合物正溫度係數（PPTC）器件可對其他類型的電子部件提供額外的保護（伴熱
、導線、繼電器和固態部件等）。

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大功率MOSFET電路的保護

對於將大功率MOSFET用於各種負載的固態開關動作的電子模塊，其他極性接反的情況主要集中在驅動配置的高壓側或低壓側（見圖3a）。在極性接反的狀態下
，大功率MOSFET的內在二極管變為正向偏置，並允許電流能夠流至與其連接的電機、燈或電磁閥負載（見圖3b）。

這不會形成一種瞬間破壞的故障狀態。但是，場效應管的功率消耗通常將增加約5倍，這是由於器件兩端的電壓降在這種情況下約為1V（電流流經內在二極管的PN結），而不是0.2V的額定正向VDS 電壓（按場效應管漏極至源極之間進行測量）。chufeicaiyongzhengquedereliangkongzhiguanli，rushiyongchicunzugoudadesanreqilaihaosanzaijixingjiefanzhuangtaichixuqijianchanshengdereliang，fouzezaizhezhongqingkuangxiachixugongzuojiangshaohuiMOSFET。

這一附加散熱器將增加本應用中的成本
、重量和尺寸，而這些正是汽車製造商和供應商希望減少的領域。即使是采用熱保護場效應晶體管
，例如TEMPFET，仍無法防止在這種條件下不被燒毀，其原因在於場效應管的門極無法控製流經內在二極管的電流。

增加一個與負載串聯的聚合物正溫度係數器件
，並將它與旁路二極管進行耦合（參見圖4d），能(neng)夠(gou)提(ti)供(gong)蓄(xu)電(dian)池(chi)極(ji)性(xing)接(jie)反(fan)故(gu)障(zhang)的(de)保(bao)護(hu)，並(bing)且(qie)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)尺(chi)寸(cun)較(jiao)小(xiao)的(de)散(san)熱(re)器(qi)。更(geng)為(wei)重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)



，它(ta)能(neng)夠(gou)防(fang)止(zhi)電(dian)流(liu)的(de)反(fan)向(xiang)流(liu)動(dong)，從(cong)而(er)避(bi)免(mian)了(le)電(dian)磁(ci)閥(fa)或(huo)電(dian)機(ji)的(de)異(yi)常(chang)動(dong)作(zuo)。

感應負載和蓄電池極性接反

對於感應負載，最為常見的處理方法是采用連接在負載兩端的續流二極管
，以抑製在負載切斷時所產生的電壓毛刺。圖4a所示為用作高壓側和低壓側開關的帶感應負載的大功率MOS場chang效xiao應ying晶jing體ti管guan。在zai極ji性xing接jie反fan的de狀zhuang態tai下xia，電dian流liu將jiang通tong過guo場chang效xiao應ying管guan中zhong的de正zheng向xiang偏pian置zhi的de內nei在zai二er極ji管guan和he並bing聯lian在zai負fu載zai兩liang端duan的de續xu流liu二er極ji管guan進jin行xing流liu動dong，在zai電dian源yuan的de正zheng極ji和he負fu極ji端duan子zi之zhi間jian建jian立li起qi一yi個ge直zhi接jie的de短duan路lu通tong路lu（圖4b）。製止這種電流流動的一種方式是

，使用如圖4c所suo示shi的de正zheng向xiang導dao通tong二er極ji管guan。但dan是shi，對dui於yu大da電dian流liu負fu載zai
，如ru前qian所suo述shu，這zhe一yi解jie決jue方fang案an可ke能neng因yin成cheng本ben過guo高gao而er無wu法fa采cai用yong。另ling一yi種zhong替ti代dai方fang案an是shi使shi用yong聚ju合he物wu正zheng溫wen度du係xi數shu器qi件jian
，將jiang其qi與yu較jiao小xiao的de整zheng流liu二er極ji管guan耦ou合he，這zhe樣yang隻zhi需xu耐nai受shou聚ju合he物wu正zheng溫wen度du係xi數shu器qi件jian“分斷”所需要的浪湧電流，這點與必須連續支持全負載電流的正向導通二極管不同。

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電機保護

絕大多數為使乘車者更加舒適和方便的小功率電機都是電刷式直流電機。雙向電機（如動力車窗、動力座位和動力鎖）的驅動方式是采用一個“H橋”配置，由4個大功率MOS場效應晶體管按圖5a中的方便連接而成。

在使電機正向旋轉時
，場效應管1和4同時接通;而要使電機反向旋轉時，場效應管2和3要同時接通。在反向極性連接情況下

，對H橋電路所產生的等效電路為兩個串聯內在二極管並聯在電源的正極和負極端子之間（見圖5b），所以實際上建立了短路通路。

基(ji)於(yu)上(shang)述(shu)相(xiang)同(tong)的(de)原(yuan)因(yin)，使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)串(chuan)聯(lian)的(de)正(zheng)向(xiang)導(dao)通(tong)二(er)極(ji)管(guan)可(ke)能(neng)在(zai)經(jing)濟(ji)上(shang)並(bing)不(bu)可(ke)行(xing)。但(dan)是(shi)，通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)串(chuan)聯(lian)的(de)聚(ju)合(he)物(wu)正(zheng)溫(wen)度(du)係(xi)數(shu)器(qi)件(jian)
，既(ji)有(you)助(zhu)於(yu)提(ti)供(gong)經(jing)濟(ji)可(ke)行(xing)的(de)極(ji)性(xing)接(jie)反(fan)保(bao)護(hu)方(fang)式(shi)，而(er)且(qie)同(tong)時(shi)將(jiang)係(xi)統(tong)內(nei)的(de)電(dian)壓(ya)損(sun)耗(hao)降(jiang)至(zhi)最(zui)低(di)（見圖5c）。在極性接反條件下的等效電路如圖5d所示。一般情況下，場效應管的內在二極管便於提供能使聚合物正溫度係數器件在毫秒內分斷所需的臨時浪湧電流。

如圖2、3b、4d和5d所示的電路，在極性接反狀態下建立電流通路的二極管，必須具備一定的浪湧容量額定值，從而在二極管的安全運行區（SOA）內造成PPTC器件分斷。也就是說，聚合物正溫度係數器件的“分斷時間”絕jue對dui不bu得de超chao過guo二er極ji管guan的de浪lang湧yong電dian流liu的de時shi間jian限xian製zhi。聚ju合he物wu正zheng溫wen度du係xi數shu器qi件jian可ke在zai一yi係xi列lie的de電dian流liu和he最zui大da分fen斷duan時shi間jian額e定ding值zhi範fan圍wei內nei進jin行xing選xuan擇ze，以yi滿man足zu絕jue大da多duo數shu應ying用yong的de需xu求qiu。

降低汽車的功率損失

隨著汽車負載量的不斷增加
，汽車製造商及其電子係統供應商正在策劃下一代的汽車供電係統，以取代自20世紀50年代以來一直應用於汽車的12V蓄電池係統。這項PowerNet技術規定了汽車電源的電壓限製為目前常規係統的3倍。

這個42V的係統，包括針對仍可用於雙電壓結構的12V產品的更嚴格的技術規範。因此，目前功率較低的產品仍能夠繼續使用多年，並與功率更高的產品相結合
，共同應用在42V的總線上。由於成本與演進至42V電源的過程息息相關，汽車製造商正試圖延緩這一過程，並尋求能夠降低功率消耗的任何機會。

降jiang低di功gong率lv消xiao耗hao的de一yi種zhong方fang式shi是shi采cai用yong無wu刷shua式shi直zhi流liu電dian流liu以yi取qu代dai有you刷shua電dian機ji，特te別bie是shi針zhen對dui功gong率lv更geng高gao的de應ying用yong。無wu刷shua式shi直zhi流liu電dian機ji具ju備bei不bu會hui發fa生sheng磨mo損sun的de優you點dian，並bing且qie由you於yu不bu帶dai容rong易yi產chan生sheng電dian弧hu的de電dian刷shua，從cong而er減jian少shao了le電dian磁ci幹gan擾rao。在zai三san相xiang式shi無wu刷shua電dian機ji中zhong，場chang效xiao應ying管guan電dian橋qiao的de拓tuo撲pu結jie構gou是shi3個分支
，與有刷直流電機的2個分支相似。蓄電池極性接反對無刷直流電機具有相同的影響，不過所幸的是，在圖5c中所建議的聚合物正溫度係數器件蓄電池接反保護配置方式也可用於無刷直流電機中。

使shi用yong聚ju合he物wu正zheng溫wen度du係xi數shu器qi件jian來lai替ti代dai串chuan聯lian二er極ji管guan，對dui於yu那na些xie已yi經jing接jie近jin可ke用yong電dian源yuan係xi統tong全quan部bu能neng力li的de車che型xing來lai說shuo，能neng夠gou提ti供gong其qi他ta額e外wai的de好hao處chu。由you於yu串chuan聯lian二er極ji管guan的de功gong率lv損sun耗hao與yu電dian壓ya成cheng正zheng比bi


，在zai20A的電路中將0.7V的二極管電壓降低到大約0.1V
，能夠減少（0.7－0.1）×20＝12W。在一般車輛所采用的數10台電機中，這項技術在一般情況下能夠節省100W以上的功率。

而這三項節省的方式有可能將轉變到更高電壓係統的過程推遲1～2年。某些車型如通用的GMC Sierra和Chevrolet Silverado，將在2004年車型中采用有限的42V係統。在為42V汽車製訂的技術規範中
，不允許出現蓄電池接反的現象。這些業經討論的方法能夠幫助汽車製造商保證這些技術規範得到滿足。