自動車アーキテクチャのドメイン ベースからゾーン ベースへの移行は、車載用パワー ディストリビューションを大きく変化させつつあり、半導体スイッチ ベース ソリューション (図 1 を参照) は、ワイヤ ハーネスの保護に使用されている従来型溶融ヒューズを置き換えようとしています。これらのソリューションは、ヒューズ時間電流のばらつきが少ないなどの利点があるため、ワイヤ ハーネスのケーブルの直径、重量、コストを低減できる可能性があります。半導体スイッチは間接的にリセットすることもできます。これは、ヒューズに簡単にアクセスできるようにする必要がないことを意味しており、設計者は、電源から負荷までのケーブル長が短くなるような位置にヒューズを配置できます。

半導体スイッチをスマート ヒューズ デバイスとして使用する場合のシステム設計上の課題には、スイッチがオン状態のときの静止電流の低減と、負荷 (電子制御ユニット [ECU] 入力) で典型的に見られる大きな容量性負荷を駆動する出力のターンオンが含まれます。各パワー ディストリビューション ボックス (PDB) 出力に接続されている ECU のタイプと数に応じて、ECU は 47µF～5mF の入力容量を持っているため、ECU の起動時間 (高速充電時間 1ms 未満、中速充電時間 10ms 未満、低速充電時間 50ms 未満) には注意を払う必要があります。これらの ECU 入力容量を、ECU の起動時間内に MOSFET (金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ) スイッチを通して充電することは、ゾーン ベース アーキテクチャにおける主要なシステム設計課題の 1 つです。

この記事では、ハイサイド スイッチ コントローラを使って容量性負荷を駆動する際の課題に対応するための各種手法について説明します。

この方法では、ゲートと GND との間にコンデンサ (C) を配置することで、ゲートおよび出力電圧のスルーレートによって突入電流を制限しています。図 3 に、出力電圧スルーレート制御機能を備えた回路構成を示します。

式 1 と式 2 に、起動時の突入電流と消費電力の計算式を示します。

MOSFET は飽和領域で動作しているため、起動時に消費電力が安全動作領域 (SOA) 内に維持されるように、突入電流を十分小さくする必要があります。MOSFET の消費電力を低減し、より長い期間にわたって放散させると、MOSFET はより多くのエネルギー (1/2 C_OUT V_IN²) を扱うことができます。したがって、より高い容量性負荷に対応するには、突入電流の間隔をより長くする必要があります。

この方法は低速充電要件 (たとえば、5mF および 50ms) に適していますが、設計には常に C_OUT、FET の SOA、充電時間、動作温度の間のトレードオフを含める必要があります。たとえば、テキサス・インスツルメンツのハイサイド スイッチング コントローラ TPS1211-Q1 をゲート ドライバとして使用して、5mF を 12V に充電する場合、1.5A の突入電流制限で、40ms を要します。参照セクションの [1] では、この方法を使って、起動時の FET SOA をチェックする手順を繰り返しています。一方、参照セクションの [2] には、特定の MOSFET の SOA マージンを推定するためのオンライン ツールについて記載しています。