場(chǎng)效應(yīng)晶體管在汽車(chē)上的應(yīng)用及控制電路診斷

浙江縉云職業(yè)中專(zhuān) 陳德美

浙江臺(tái)州捷豹路虎4S店 劉國(guó)文

隨著汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)電氣控制也越來(lái)越智能化。如果不能掌握基本的電子知識(shí)，很難診斷汽車(chē)故障。汽車(chē)上應(yīng)用的晶體管主要有2種類(lèi)型：一是雙極型晶體管（BJT），也稱(chēng)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(shí)有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電過(guò)程，故稱(chēng)為雙極型晶體管。另一種是單極晶體管，也稱(chēng)為場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET），是一種電壓控制型器件，由輸入電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制輸出電流的大小。它工作時(shí)只有一種載流子參與導(dǎo)電，故稱(chēng)為單極型晶體管。本文就FET控制電路的特點(diǎn)及如何診斷該電路做一些基本介紹，望能給廣大汽車(chē)維修朋友帶來(lái)幫助。

1 FET的結(jié)構(gòu)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(kāi)關(guān)裝置。然而，F(xiàn)ET的結(jié)構(gòu)和操作與BJT不同。BJT可通過(guò)控制BJT電流來(lái)控制流經(jīng)BJT的電流，而FET是控制施加給FET的電場(chǎng)效應(yīng)來(lái)控制流經(jīng)FET的電流。FET由P型和N型半導(dǎo)體材料構(gòu)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(kāi)關(guān)速度，因而非常適合用于集成電路和數(shù)字邏輯芯片。而且FET搭配先進(jìn)的集成智能芯片技術(shù)之后，將不再需要使用單獨(dú)的熔絲，所以在現(xiàn)代汽車(chē)控制電路中應(yīng)用越來(lái)越廣泛。與BJT類(lèi)似，F(xiàn)ET也有3個(gè)電極，如圖1所示。

FET通過(guò)柵極的電壓來(lái)控制流過(guò)源極與漏極端子之間形成的通道的輸出電流。通過(guò)改變柵極的電壓，可以改變漏極/源極通道以限制或傳導(dǎo)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(lèi)型和特點(diǎn)

FET的類(lèi)型主要有2種，即結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET）和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）。

圖1 FET結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 FET控制示意圖

（1）JFET。JFET是耗盡模式類(lèi)型的FET。這意味著僅當(dāng)柵極的電壓為零，流過(guò)通道的電流才會(huì)達(dá)到最大。對(duì)柵極施加電壓，則會(huì)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(lèi)型或增強(qiáng)型的FET。增強(qiáng)型FET意味著僅當(dāng)柵極存在足夠大的電壓時(shí)

圖3 耗盡型FET

才會(huì)有電流流過(guò)通道，如圖4所示。MOSFET的阻抗比JFET高，這是因?yàn)闁艠O、漏極與源極通道之間的金屬氧化物絕緣體導(dǎo)致電流消耗更低。流經(jīng)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(qiáng)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，F(xiàn)ET中的集成電路利用各種輸入來(lái)確定它是操作電路還是保護(hù)電路。具備這些附加功能的FET也稱(chēng)為保護(hù)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（PROFET）。對(duì)于PROFET控制系統(tǒng)，如果電路中存在故障，則電路將會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)，所以無(wú)法執(zhí)行壓降測(cè)試方法。

圖5 FET簡(jiǎn)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(jiān)測(cè)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(shí)際控制電路的內(nèi)部電路會(huì)有所變化，也會(huì)復(fù)雜得多。PROFET內(nèi)的集成電路（IC）有一個(gè)電壓檢測(cè)輸入，并且還增加了一個(gè)通過(guò)固定電阻器到用電設(shè)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(cè)線路上的電壓，在出現(xiàn)斷路和短路故障時(shí)生成和存儲(chǔ)相關(guān)故障代碼。沿電壓檢測(cè)線路提供給IC的電壓用于在柵極關(guān)閉和電路斷開(kāi)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shè)備。當(dāng)FET柵極打開(kāi)和電路接通時(shí)，電流通過(guò)FET選擇最容易的路徑流至用電設(shè)備，用電設(shè)備才會(huì)工作。

也就是說(shuō)即使電路處于不工作狀態(tài)，只要點(diǎn)火開(kāi)關(guān)打開(kāi)，電源仍可從PROFET IC經(jīng)過(guò)固定電阻器和用電設(shè)備實(shí)現(xiàn)搭鐵。PROFET的固定電阻器與用電設(shè)備組成分壓器電路，使得在用于控制模塊監(jiān)測(cè)的電壓檢測(cè)線路中存在低電壓，電流很低，因此用電設(shè)備不會(huì)工作。

除了短路保護(hù)之外，PROFET還提供了電流限制、過(guò)載保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、熱關(guān)閉保護(hù)、靜電放電保護(hù)、電池反接保護(hù)、電源/搭鐵中斷保護(hù)及診斷等。

4 實(shí)際案例診斷

4.1 故障現(xiàn)象

一位路虎發(fā)現(xiàn)神行車(chē)客戶(hù)抱怨右后制動(dòng)燈不亮，左側(cè)正常。

4.2 故障分析

路虎車(chē)的外部照明電路中，大多數(shù)燈由FET控制，沒(méi)有熔絲保護(hù)。路虎發(fā)現(xiàn)神行車(chē)制動(dòng)燈電路如圖7所示。

圖7 路虎發(fā)現(xiàn)神行車(chē)制動(dòng)燈電路

驗(yàn)證故障如客戶(hù)所說(shuō)，右側(cè)制動(dòng)燈不亮，左側(cè)和高位制動(dòng)燈正常，打開(kāi)小燈發(fā)現(xiàn)右側(cè)正常點(diǎn)亮。分析電路圖發(fā)現(xiàn)右側(cè)制動(dòng)燈和小燈共用搭鐵線，說(shuō)明搭鐵線正常。分析原因可能是制動(dòng)燈電源線短路、斷路或制動(dòng)燈損壞。

4.3 故障診斷

（1）連接故障檢測(cè)儀，讀得的故障代碼為：C111A-11，為右側(cè)制動(dòng)燈電路對(duì)搭鐵短路。

（2）拆卸右側(cè)制動(dòng)燈總成，接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，用萬(wàn)用表電壓擋測(cè)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(dòng)踏板為0 V，不正常。

（3）關(guān)閉并打開(kāi)點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，斷開(kāi)尾燈線束連接器C4LS36A，再次測(cè)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(dòng)踏板為12 V，正常。

（4）以上兩次測(cè)試結(jié)果說(shuō)明制動(dòng)線路沒(méi)有斷路和對(duì)搭鐵短路。

（5）拆下左側(cè)尾燈，將左右尾燈總成對(duì)調(diào)，踩下制動(dòng)踏板時(shí)發(fā)現(xiàn)右側(cè)制動(dòng)燈點(diǎn)亮，左側(cè)制動(dòng)燈不亮，連接故障檢測(cè)儀，讀得的故障代碼為：C111B-11，為左側(cè)制動(dòng)燈電路對(duì)搭鐵短路。

（6）更換一個(gè)新的右側(cè)尾燈總成，接通點(diǎn)火開(kāi)關(guān)，踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)燈工作正常。

4.4 故障小結(jié)

此故障是右側(cè)尾燈總成內(nèi)制動(dòng)燈電路短路或二極管損壞所致，造成工作電流過(guò)大，F(xiàn)ET保護(hù)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(hù)的晶體管。此類(lèi)晶體管可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的故障。FET通過(guò)在監(jiān)測(cè)到不適當(dāng)?shù)碾娏鲿r(shí)切斷電路的方式來(lái)保護(hù)系統(tǒng)。無(wú)法對(duì)FET電路執(zhí)行壓降測(cè)試，因?yàn)閴航禍y(cè)試要求接通電路。要有效診斷出FET電路的故障，應(yīng)在關(guān)閉系統(tǒng)的情況下測(cè)量電壓。FET在電壓監(jiān)測(cè)線路中可具有不同的參考電壓，因此必須檢查同款正常車(chē)輛中相同電路的電壓作為參考。