【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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