碳化硅電子熔絲演示器為設(shè)計(jì)人員提供電動(dòng)汽車電路保護(hù)解決方案

早在十多年前，電動(dòng)汽車就已經(jīng)引入400V電池系統(tǒng)，現(xiàn)在我們看到行業(yè)正在向800V系統(tǒng)遷移，主要是為了支持直流快速充電。隨著電壓的提高和從400V系統(tǒng)中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正專注于增強(qiáng)高壓保護(hù)電路的性能并提高可靠性。他們正在重新評(píng)估使用熔絲、接觸器或繼電器的現(xiàn)有解決方案，以尋找響應(yīng)速度更快、穩(wěn)健性更強(qiáng)且可靠性更高的解決方案，如熱熔絲和電子熔絲（即E-Fuse）。一種領(lǐng)先的解決方案是基于碳化硅（SiC）技術(shù)的電子熔絲。SiC提供高工作電壓、高工作溫度、低導(dǎo)通電阻、低關(guān)斷狀態(tài)漏電流以及對(duì)過電壓瞬變的耐久性。電子熔絲的固態(tài)設(shè)計(jì)消除了與電弧、機(jī)械磨損、觸點(diǎn)抖動(dòng)和定位焊相關(guān)的可靠性問題。其不再需要用于驅(qū)動(dòng)接觸器線圈的節(jié)能器硬件。電子熔絲通過其可配置性、受控的導(dǎo)通和關(guān)斷、車載診斷和對(duì)高電壓瞬變的耐久性提高了系統(tǒng)級(jí)性能。

采用可復(fù)位設(shè)計(jì)，無(wú)需維修

電子熔絲采用全SiC設(shè)計(jì)，對(duì)短路的響應(yīng)速度無(wú)與倫比，比熱熔絲的響應(yīng)速度快數(shù)百倍。由于這種特性，電子熔絲成為了基于熱熔絲的保護(hù)解決方案對(duì)的自然補(bǔ)充。盡管熱熔絲提供了穩(wěn)健且可靠的電路保護(hù)，但它不可復(fù)位。它是一次性使用的設(shè)備，就像安全氣囊里的火藥。

嚴(yán)重情況下，熱熔絲用作切斷系統(tǒng)電源的安全措施。一旦引爆，就需要更換。在高壓系統(tǒng)中更換組件并不像在12V系統(tǒng)中那么簡(jiǎn)單。400V或800V的系統(tǒng)電壓遠(yuǎn)高于汽車行業(yè)通常認(rèn)為安全的60V限制，只有合格的維修技術(shù)員才能安全地進(jìn)行維修。幸運(yùn)的是，由于具有可配置的跳閘特性，作為系統(tǒng)級(jí)配套解決方案的電子熔絲對(duì)過電流的敏感度要高于熱熔絲，從而可確保其先跳閘，以避免觸發(fā)熱熔絲。與當(dāng)今的解決方案相比，電子熔絲的一大優(yōu)點(diǎn)是其可復(fù)位性，這可幫助電動(dòng)汽車車主節(jié)省與車輛維修相關(guān)的時(shí)間、費(fèi)用和麻煩。

穩(wěn)健的直流電路保護(hù)

高壓直流系統(tǒng)中的電路保護(hù)帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn)。與交流系統(tǒng)不同，在交流系統(tǒng)中，過零有助于熄滅電弧，而直流系統(tǒng)則沒有這樣的過零。為了應(yīng)對(duì)這一問題，高壓電動(dòng)汽車?yán)^電器和接觸器包含了額外的復(fù)雜功能，以安全地熄滅電弧。然而，電弧仍然會(huì)侵蝕觸點(diǎn)，導(dǎo)致如高接觸電阻或定位焊等可靠性問題。

另一方面，電子熔絲能安全地?cái)嚅_直流電路，而不會(huì)產(chǎn)生電弧。在基于繼電器的解決方案中造成電弧的感應(yīng)能量類型也存在于電子熔絲的保護(hù)電路中，因此，電子熔絲解決方案在中斷電流時(shí)需要吸收這種能量。

主要區(qū)別在于，電子熔絲的響應(yīng)速度快，可將峰值電流降低到比傳統(tǒng)解決方案低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。由于感應(yīng)能量與電流的平方成正比，因此峰值短路電流的減少也會(huì)導(dǎo)致允通能量的顯著減少。這也會(huì)減輕線路壓力并減少潛在的下游故障負(fù)載。

具有可配置跳閘特性的電子熔絲演示器

圖1給出的Microchip輔助電子熔絲技術(shù)演示器可供開發(fā)汽車高壓電子熔絲或固態(tài)繼電器的設(shè)計(jì)人員使用。六種硬件型號(hào)分別提供400V和800V選項(xiàng)以及10A、20A和30A電流額定值，支持評(píng)估R_DS(on⁾的定制為15 m?到40 m?的單個(gè)或并聯(lián)SiC MOSFET。

圖1——Microchip的輔助電子熔絲技術(shù)演示器

電子熔絲的控制和保護(hù)電路由12V系統(tǒng)供電。演示器配有LIN通信接口，支持直接連接到12V電池，同時(shí)可通過LIN活動(dòng)從睡眠模式喚醒，或者從控制模塊的開關(guān)電池輸出喚醒。

如圖2的時(shí)間-電流特性（TCC）曲線所示，電子熔絲包括三種過電流檢測(cè)方法，涵蓋從略微過電流到極高短路電流。TCC曲線定義了電子熔絲類似熔絲的行為，對(duì)低過電流的響應(yīng)速度慢，對(duì)高過電流的響應(yīng)速度快。

它可以輕松調(diào)整以保護(hù)線路和負(fù)載。這三種檢測(cè)方法可以通過軟件或LIN接口輕松配置。最左邊的藍(lán)色檢測(cè)方法使用結(jié)溫估計(jì)算法來(lái)描述跳閘行為。此算法使用電流測(cè)量值、環(huán)境溫度測(cè)量值、SiC MOSFET的RDS(on)和熱設(shè)計(jì)特性來(lái)估計(jì)SiC MOSFET的結(jié)溫。

響應(yīng)時(shí)間隨過電流的大小而變化。中間線段代表了使用單一電流測(cè)量的檢測(cè)方法，其響應(yīng)時(shí)間固定。最右邊的線段代表了一種基于硬件，但可以通過軟件配置的檢測(cè)方法。這種方法利用了PIC^? MCU獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP），具體包括比較器、固定參考電壓、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和配置為

SR鎖存器的可配置邏輯單元。這可確保信號(hào)傳播時(shí)間短至幾百納秒以內(nèi)，從而可以立即檢測(cè)到短路并保護(hù)高壓系統(tǒng)。

圖2——400V、20A電子熔絲型號(hào)的時(shí)間-電流特性曲線

除了類似熔絲的行為外，電子熔絲還可以承擔(dān)機(jī)電繼電器的功能。如同繼電器線圈及其高壓觸點(diǎn)彼此電氣隔離一樣，高壓電子熔絲的控制信號(hào)與高壓端子之間也有隔離屏障。電子熔絲擁有類似于繼電器的靈活性，可以連接到系統(tǒng)中，作為為負(fù)載饋送高壓電池正極的高側(cè)輸出，或者作為為負(fù)載到高壓電池負(fù)極提供返回路徑的低側(cè)輸出，如圖3所示。

圖3——電子熔絲系統(tǒng)級(jí)配置

高壓短路性能

為了真正展示電子熔絲與傳統(tǒng)汽車高壓熔絲之間響應(yīng)時(shí)間的差異，在450V和大約3 μH線路電感的相似測(cè)試條件下，我們讓每種熔絲承受短路的影響。圖4中給出了產(chǎn)生的波形。黑色波形是測(cè)試中流過高壓熔絲的電流。在30 μs內(nèi)，電流達(dá)到測(cè)量設(shè)備的極限3800A，并在50 μs后熔斷高壓熔絲。根據(jù)測(cè)試參數(shù)，峰值電流估計(jì)已超過6000A。然而，如藍(lán)色波形所示，使用電子熔絲時(shí)，跳閘前的電流只有128A。這表示允通電流顯著減少，最大程度減少了對(duì)接線和下游負(fù)載的壓力。

它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了優(yōu)化接線以減輕重量和降低成本的選項(xiàng)。在某些情況下，電子熔絲的低允通電流將是拖車狀態(tài)（導(dǎo)致高電流應(yīng)力的故障引起硬件永久損壞）和可恢復(fù)故障（允許系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，駕駛員可繼續(xù)操作車輛）之間的區(qū)別。

圖4——電子熔絲與高壓熔絲的電流波形

除了電動(dòng)汽車本身，如直流快速充電站或?yàn)槌潆娬竟╇姷奈㈦娋W(wǎng)等支持基礎(chǔ)設(shè)施也將從電子熔絲中受益。電子熔絲提供的優(yōu)勢(shì)不局限于汽車應(yīng)用。

使用熔絲和接觸器的應(yīng)用可受益于探討的一些主題以及其他優(yōu)勢(shì)，包括車載電流檢測(cè)，這種檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的系統(tǒng)級(jí)集成和優(yōu)化。非車載應(yīng)用利用公共源和反串聯(lián)SiC MOSFET配置，需要的電流能力可能比演示器提供的更高。幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)擴(kuò)展十分簡(jiǎn)單，可以針對(duì)公共源配置中提供的SiC電源模塊進(jìn)行調(diào)整。

隨著我們對(duì)性能、安全性和可靠性的關(guān)注度不斷提高，電子熔絲作為電路保護(hù)解決方案將不斷發(fā)展，成為優(yōu)先采用的方法，如同我們看到12V系統(tǒng)從熔絲和繼電器轉(zhuǎn)向保護(hù)型固態(tài)驅(qū)動(dòng)器，最近又轉(zhuǎn)向低壓電子熔絲一樣。