場效應晶體管在汽車上的應用及控制電路診斷

浙江縉云職業中專 陳德美

浙江臺州捷豹路虎4S店 劉國文

隨著汽車電子技術的不斷發展，汽車電氣控制也越來越智能化。如果不能掌握基本的電子知識，很難診斷汽車故障。汽車上應用的晶體管主要有2種類型：一是雙極型晶體管（BJT），也稱為晶體三極管，是一種電流控制型器件，由輸入電流控制輸出電流，具有電流放大作用。它工作時有電子和空穴兩種載流子參與導電過程，故稱為雙極型晶體管。另一種是單極晶體管，也稱為場效應晶體管（FET），是一種電壓控制型器件，由輸入電壓產生的電場效應來控制輸出電流的大小。它工作時只有一種載流子參與導電，故稱為單極型晶體管。本文就FET控制電路的特點及如何診斷該電路做一些基本介紹，望能給廣大汽車維修朋友帶來幫助。

1 FET的結構原理

FET的功能與BJT的功能相似，它們都常被用作放大器和開關裝置。然而，FET的結構和操作與BJT不同。BJT可通過控制BJT電流來控制流經BJT的電流，而FET是控制施加給FET的電場效應來控制流經FET的電流。FET由P型和N型半導體材料構造而成，由于其功耗更低、工作溫度更低，其尺寸可以比BJT小得多。它們具有更快的開關速度，因而非常適合用于集成電路和數字邏輯芯片。而且FET搭配先進的集成智能芯片技術之后，將不再需要使用單獨的熔絲，所以在現代汽車控制電路中應用越來越廣泛。與BJT類似，FET也有3個電極，如圖1所示。

FET通過柵極的電壓來控制流過源極與漏極端子之間形成的通道的輸出電流。通過改變柵極的電壓，可以改變漏極/源極通道以限制或傳導電流。通道越寬，電流越大，輸出電流與所施加的輸入電壓大小成正比，如圖2所示。

2 FET的類型和特點

FET的類型主要有2種，即結型場效應晶體管（JFET）和金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）。

圖1 FET結構示意圖

圖2 FET控制示意圖

（1）JFET。JFET是耗盡模式類型的FET。這意味著僅當柵極的電壓為零，流過通道的電流才會達到最大。對柵極施加電壓，則會降低電流，如圖3所示。JFET的阻抗比MOSFET低，因而可牽引更多電流，但它們不容易受到靜電損壞。

（2）MOSFET。MOSFET可分為耗盡模式類型或增強型的FET。增強型FET意味著僅當柵極存在足夠大的電壓時

圖3 耗盡型FET

才會有電流流過通道，如圖4所示。MOSFET的阻抗比JFET高，這是因為柵極、漏極與源極通道之間的金屬氧化物絕緣體導致電流消耗更低。流經漏極與源極之間主通道的電流與柵極的輸入電壓成正比。

3 FET的工作電路

圖4 增強型FET

圖5是FET電路基本操作示意圖。為了提供以上所列的功能，FET中的集成電路利用各種輸入來確定它是操作電路還是保護電路。具備這些附加功能的FET也稱為保護場效應晶體管（PROFET）。對于PROFET控制系統，如果電路中存在故障，則電路將會自動斷開，所以無法執行壓降測試方法。

圖5 FET簡單電路示意圖

要想正確地診斷FET電路，首先需要了解FET如何監測電路是否存在斷路和短路。PROFET控制原理示意圖如圖6所示，而實際控制電路的內部電路會有所變化，也會復雜得多。PROFET內的集成電路（IC）有一個電壓檢測輸入，并且還增加了一個通過固定電阻器到用電設備的電源。

圖6 PROFET控制原理示意圖

使用PROFET的控制模塊可解讀電壓檢測線路上的電壓，在出現斷路和短路故障時生成和存儲相關故障代碼。沿電壓檢測線路提供給IC的電壓用于在柵極關閉和電路斷開時監測電路。固定電阻器則意味著提供的電流非常小，不足以操作電路中的用電設備。當FET柵極打開和電路接通時，電流通過FET選擇最容易的路徑流至用電設備，用電設備才會工作。

也就是說即使電路處于不工作狀態，只要點火開關打開，電源仍可從PROFET IC經過固定電阻器和用電設備實現搭鐵。PROFET的固定電阻器與用電設備組成分壓器電路，使得在用于控制模塊監測的電壓檢測線路中存在低電壓，電流很低，因此用電設備不會工作。

除了短路保護之外，PROFET還提供了電流限制、過載保護、過壓保護、熱關閉保護、靜電放電保護、電池反接保護、電源/搭鐵中斷保護及診斷等。

4 實際案例診斷

4.1 故障現象

一位路虎發現神行車客戶抱怨右后制動燈不亮，左側正常。

4.2 故障分析

路虎車的外部照明電路中，大多數燈由FET控制，沒有熔絲保護。路虎發現神行車制動燈電路如圖7所示。

圖7 路虎發現神行車制動燈電路

驗證故障如客戶所說，右側制動燈不亮，左側和高位制動燈正常，打開小燈發現右側正常點亮。分析電路圖發現右側制動燈和小燈共用搭鐵線，說明搭鐵線正常。分析原因可能是制動燈電源線短路、斷路或制動燈損壞。

4.3 故障診斷

（1）連接故障檢測儀，讀得的故障代碼為：C111A-11，為右側制動燈電路對搭鐵短路。

（2）拆卸右側制動燈總成，接通點火開關，用萬用表電壓擋測量尾燈線束連接器C4LS36A的端子2和4之間的電壓，為0.7 V，正常；踩下制動踏板為0 V，不正常。

（3）關閉并打開點火開關，斷開尾燈線束連接器C4LS36A，再次測量尾燈線束端連接器的C4LS36A的端子2和4之間的電壓為7 V，正常；踩下制動踏板為12 V，正常。

（4）以上兩次測試結果說明制動線路沒有斷路和對搭鐵短路。

（5）拆下左側尾燈，將左右尾燈總成對調，踩下制動踏板時發現右側制動燈點亮，左側制動燈不亮，連接故障檢測儀，讀得的故障代碼為：C111B-11，為左側制動燈電路對搭鐵短路。

（6）更換一個新的右側尾燈總成，接通點火開關，踩下制動踏板，制動燈工作正常。

4.4 故障小結

此故障是右側尾燈總成內制動燈電路短路或二極管損壞所致，造成工作電流過大，FET保護了。

FET是既可以為耗電元件提供電源、又能像熔絲那樣提供電路保護的晶體管。此類晶體管可以監測系統中的故障。FET通過在監測到不適當的電流時切斷電路的方式來保護系統。無法對FET電路執行壓降測試，因為壓降測試要求接通電路。要有效診斷出FET電路的故障，應在關閉系統的情況下測量電壓。FET在電壓監測線路中可具有不同的參考電壓，因此必須檢查同款正常車輛中相同電路的電壓作為參考。