【導(dǎo)讀】為電動(dòng)車輛設(shè)計(jì)電路極具挑戰(zhàn)性。 為了確保能夠承受過(guò)載，瞬態(tài)和靜電放電（ESD）的可靠和安全設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要確保其電路具有必要的器件以防止損壞。 本文以車載充電器為例，提出了電路保護(hù)和高效功率控制的建議。
在電動(dòng)化和自動(dòng)化程度更高的車輛中建立可靠電路保護(hù)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。
圖1。在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車電氣結(jié)構(gòu)中，車載充電器必須與交流電源線及其可能產(chǎn)生的過(guò)載和瞬態(tài)過(guò)壓相匹配。（Littelfuse）
圖2。車載充電器框圖和推薦的保護(hù)和功率控制器件。(Littelfuse)
圖3。用于保護(hù)CAN總線的TVS二極管陣列。(Littelfuse)
為電動(dòng)車輛設(shè)計(jì)電路極具挑戰(zhàn)性。 為了確保能夠承受過(guò)載，瞬態(tài)和靜電放電（ESD）的可靠和安全設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要確保其電路具有必要的器件以防止損壞。 本文以車載充電器為例，提出了電路保護(hù)和高效功率控制的建議。
如圖1示意圖所示，對(duì)于必須開(kāi)發(fā)能夠承受來(lái)自內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)和大功率電動(dòng)機(jī)瞬變的電路設(shè)計(jì)人員而言，混合動(dòng)力汽車代表了最壞的情況。 在這種環(huán)境下，車載充電器必須與交流電源線及其可能產(chǎn)生的過(guò)載和瞬變相匹配。
設(shè)計(jì)人員應(yīng)該保護(hù)車載充電器，就像保護(hù)任何線路供電產(chǎn)品一樣。 他們還希望保護(hù)通信電路以避免數(shù)據(jù)損壞，同時(shí)將內(nèi)部功耗降至最低，從而使電池充電時(shí)間盡可能短。
車載充電器將交流線路電壓轉(zhuǎn)換為主電池組充電所需的直流電壓，當(dāng)電池充滿時(shí)，主電池組的電壓范圍為300至500 V。消費(fèi)者希望電動(dòng)汽車充電更快，因此需要更高功率的充電電路，包括三相電源。
圖2顯示了車載充電器的框圖。在此例子中，表示了一個(gè)單相電路。每個(gè)電路子框圖都需要保護(hù)元件，兩個(gè)電路子框圖需要功率控制元件來(lái)優(yōu)化充電器的效率。
轉(zhuǎn)到瞬態(tài)保護(hù)
輸入電壓部分容易受到瞬變的影響，如雷擊和交流線路上的浪涌。第一種線路保護(hù)是提供過(guò)載保護(hù)的熔斷器。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮具有高中斷電流額定值和高電壓額定值的保險(xiǎn)絲，以確保保險(xiǎn)絲在最壞的電流過(guò)載情況下斷開(kāi)。為了防止電涌瞬變或雷擊，設(shè)計(jì)人員應(yīng)將金屬氧化物變阻器（MOV）放置在盡可能靠近充電器輸入連接的位置。MOV將吸收瞬態(tài)能量，并可防止其損壞下游電路。
如果車載充電器使用三相電源，則設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮添加MOV進(jìn)行相-相瞬態(tài)保護(hù)以及相-中性點(diǎn)瞬態(tài)保護(hù)。為了更好地保護(hù)下游電路，設(shè)計(jì)人員可以將半導(dǎo)體放電管與MOV串聯(lián)。半導(dǎo)體放電管的箝位電壓非常低，約為5 V。半導(dǎo)體放電管的使用允許設(shè)計(jì)者選擇具有較低工作電壓的MOV。好處是可以降低下游電路瞬間承受的峰值瞬態(tài)電壓。
用于高級(jí)電路保護(hù)的第四種保護(hù)元件是氣體放電管。氣體放電管在火線和中性線與車輛底盤(pán)接地之間提供高電阻電氣隔離。氣體放電管可提供更高級(jí)別的保護(hù)，以防止雷電干擾引起的快速上升的瞬變。
IGBT保護(hù)和控制
對(duì)于快速、大功率充電，設(shè)計(jì)者應(yīng)選擇具有足夠電流處理能力的整流塊晶閘管來(lái)提供必要的電源。晶閘管還可以安全地吸收可能通過(guò)輸入電壓和EMI濾波器級(jí)的浪涌電流瞬變。
功率因數(shù)校正（PFC）電路通過(guò)降低從交流電源線吸取的總功率來(lái)提高充電效率。設(shè)計(jì)人員可以使用柵極驅(qū)動(dòng)器和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來(lái)控制電路中的電感量。設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保選擇具有足夠工作電壓范圍的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制IGBT。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮選擇一個(gè)具有高抗擾度的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)鎖定，并具有快速上升和下降時(shí)間來(lái)快速切換IGBT。
快速上升和下降時(shí)間與較低的電源電流相結(jié)合，最大限度地降低了該電路塊的功耗。柵極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)提供防靜電保護(hù)。 設(shè)計(jì)人員應(yīng)該選擇具有內(nèi)置ESD保護(hù)的柵極驅(qū)動(dòng)器，或者添加一個(gè)外部ESD二極管。 ESD二極管可以是雙向的也可以是單向的，并且可以承受高達(dá)30 kV的ESD瞬變。
了解關(guān)鍵二極管
直流鏈路由電容器組組成，用于穩(wěn)定大功率直流/直流變換器產(chǎn)生的紋波。擔(dān)心到達(dá)直流鏈路的大電壓瞬變的設(shè)計(jì)人員可以采用高壓TVS二極管來(lái)保護(hù)電容器組。
直流 / 直流部分會(huì)提高輸出充電電壓，并為電池產(chǎn)生充電電流。 該電路模塊需要與PFC電路模塊相似的可靠的柵極驅(qū)動(dòng)器。 如果柵極驅(qū)動(dòng)器選擇不包括內(nèi)部ESD保護(hù)，則設(shè)計(jì)人員可以選擇一個(gè)ESD二極管來(lái)保護(hù)柵極驅(qū)動(dòng)器。 添加外部ESD二極管不會(huì)降低柵極驅(qū)動(dòng)器的性能。
設(shè)計(jì)人員還應(yīng)確保其電源IGBT免受電壓瞬變的影響。除了防止外部瞬變，由于內(nèi)部寄生電感的L·di/dt效應(yīng)（L是電感，di/dt是電流變化率），IGBT還會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷開(kāi)關(guān)瞬變。為了消除這種瞬態(tài)對(duì)IGBT的潛在損害，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該在每個(gè)IGBT的集電極和柵極之間放置一個(gè)TVS二極管。
TVS二極管通過(guò)提高柵極電壓來(lái)降低電流瞬變的di/dt。當(dāng)集電極-發(fā)射極電壓超過(guò)TVS二極管的擊穿電壓時(shí)，電流通過(guò)TVS二極管流入柵極以提高其電勢(shì)。TVS二極管繼續(xù)導(dǎo)通，直到瞬態(tài)消除。
使用TVS二極管作為集電極-柵極反饋元件被稱為有源鉗位，并可將IGBT保持在穩(wěn)定狀態(tài)。 有關(guān)有源鉗位的更多信息，請(qǐng)參閱參考應(yīng)用說(shuō)明1。一些IGBT具有內(nèi)置有源鉗位TVS二極管。 設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇該類型的IGBT或在其電路中添加TVS二極管。
保護(hù)CAN總線信號(hào)
當(dāng)電機(jī)打開(kāi)和關(guān)閉或電流因電纜斷裂而瞬時(shí)中斷時(shí)，輸出電壓側(cè)需要提供保護(hù)，以防止電流過(guò)載和車內(nèi)電壓瞬變。 設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用熔斷器，以防止因電池組或承載電池電壓的電纜短路而引起的過(guò)電流。 使用MOV或TVS二極管可防止?jié)撛诘钠茐男噪妷核沧儭?/div>
充電器的控制單元通過(guò)CAN總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系。 為避免通信電路塊和數(shù)據(jù)損壞，設(shè)計(jì)人員應(yīng)提供ESD和瞬態(tài)保護(hù)。 他們可以使用單個(gè)節(jié)省空間的元件來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。 圖3顯示了設(shè)計(jì)用于保護(hù)CAN總線信號(hào)線的雙線TVS二極管陣列。 設(shè)計(jì)用于保護(hù)通信線路的二極管陣列包含較小的電容，并且不會(huì)降低發(fā)送器/接收器的I / O狀態(tài)。
遵循保護(hù)和功率控制建議的設(shè)計(jì)人員將為其公司的電動(dòng)汽車客戶提供可靠和安全的電路。 設(shè)計(jì)人員應(yīng)盡可能使用經(jīng)AEC-Q認(rèn)證且可在汽車環(huán)境中使用的合格元件。 例如，AEC-Q101覆蓋分立半導(dǎo)體，和AEC-Q200覆蓋無(wú)源元件，如壓敏電阻。 此外，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮利用制造商的專家的幫助來(lái)選擇合適的保護(hù)元件。
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