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

發(fā)布時(shí)間:2023-12-05 來(lái)源:icrochip,作者:Ehab Tarmoom 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】早在十多年前,電動(dòng)汽車(chē)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(zhuān)注于增強(qiáng)高壓保護(hù)電路的性能并提高可靠性。

 

早在十多年前,電動(dòng)汽車(chē)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(zhuān)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(guò)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(wèn)題。其不再需要用于驅(qū)動(dòng)接觸器線(xiàn)圈的節(jié)能器硬件。電子熔絲通過(guò)其可配置性、受控的導(dǎo)通和關(guān)斷、車(chē)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(chē)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(guò)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(chē)車(chē)主節(jié)省與車(chē)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(guò)零有助于熄滅電弧,而直流系統(tǒng)則沒(méi)有這樣的過(guò)零。為了應(yīng)對(duì)這一問(wèn)題,高壓電動(dòng)汽車(chē)?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(wèn)題。


另一方面,電子熔絲能安全地?cái)嚅_(kāi)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(lèi)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(xiàn)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(kāi)發(fā)汽車(chē)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RDS(on)的定制為15 m?到40 m?的單個(gè)或并聯(lián)SiC MOSFET。


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

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(guò)LIN活動(dòng)從睡眠模式喚醒,或者從控制模塊的開(kāi)關(guān)電池輸出喚醒。


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


它可以輕松調(diào)整以保護(hù)線(xiàn)路和負(fù)載。這三種檢測(cè)方法可以通過(guò)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(guò)電流的大小而變化。中間線(xiàn)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(xiàn)段代表了一種基于硬件,但可以通過(guò)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?xún)?nèi),從而可以立即檢測(cè)到短路并保護(hù)高壓系統(tǒng)。


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

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


除了類(lèi)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(xiàn)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(lèi)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。


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

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(chē)高壓熔絲之間響應(yīng)時(shí)間的差異,在450V和大約3 μH線(xiàn)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(guò)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(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(chē)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(chē)輛)之間的區(qū)別。


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

圖4——電子熔絲與高壓熔絲的電流波形


除了電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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。

(來(lái)源:Microchip Technology Inc,作者:碳化硅事業(yè)部技術(shù)應(yīng)用工程師,Ehab Tarmoom


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