如何为下一代电动汽车创建安全可靠的电路

在电动化和自动化程度更高的车辆中建立可靠电路保护的设计注意事项。

 
图1。在混合动力电动汽车电气结构中，车载充电器必须与交流电源线及其可能产生的过载和瞬态过压相匹配。（Littelfuse）


 
图2。车载充电器框图和推荐的保护和功率控制器件。(Littelfuse)
 

 
图3。用于保护CAN总线的TVS二极管阵列。(Littelfuse)

为电动车辆设计电路极具挑战性。 为了确保能够承受过载，瞬态和静电放电（ESD）的可靠和安全设计，设计人员需要确保其电路具有必要的器件以防止损坏。 本文以车载充电器为例，提出了电路保护和高效功率控制的建议。
 
如图1示意图所示，对于必须开发能够承受来自内燃发动机和大功率电动机瞬变的电路设计人员而言，混合动力汽车代表了最坏的情况。 在这种环境下，车载充电器必须与交流电源线及其可能产生的过载和瞬变相匹配。
 
设计人员应该保护车载充电器，就像保护任何线路供电产品一样。 他们还希望保护通信电路以避免数据损坏，同时将内部功耗降至最低，从而使电池充电时间尽可能短。
 
车载充电器将交流线路电压转换为主电池组充电所需的直流电压，当电池充满时，主电池组的电压范围为300至500 V。消费者希望电动汽车充电更快，因此需要更高功率的充电电路，包括三相电源。
 
图2显示了车载充电器的框图。在此例子中，表示了一个单相电路。每个电路子框图都需要保护元件，两个电路子框图需要功率控制元件来优化充电器的效率。
 
转到瞬态保护
 
输入电压部分容易受到瞬变的影响，如雷击和交流线路上的浪涌。第一种线路保护是提供过载保护的熔断器。设计人员应考虑具有高中断电流额定值和高电压额定值的保险丝，以确保保险丝在最坏的电流过载情况下断开。为了防止电涌瞬变或雷击，设计人员应将金属氧化物变阻器（MOV）放置在尽可能靠近充电器输入连接的位置。MOV将吸收瞬态能量，并可防止其损坏下游电路。
 
如果车载充电器使用三相电源，则设计人员应考虑添加MOV进行相-相瞬态保护以及相-中性点瞬态保护。为了更好地保护下游电路，设计人员可以将半导体放电管与MOV串联。半导体放电管的箝位电压非常低，约为5 V。半导体放电管的使用允许设计者选择具有较低工作电压的MOV。好处是可以降低下游电路瞬间承受的峰值瞬态电压。
 
用于高级电路保护的第四种保护元件是气体放电管。气体放电管在火线和中性线与车辆底盘接地之间提供高电阻电气隔离。气体放电管可提供更高级别的保护，以防止雷电干扰引起的快速上升的瞬变。
 
IGBT保护和控制
 
对于快速、大功率充电，设计者应选择具有足够电流处理能力的整流块晶闸管来提供必要的电源。晶闸管还可以安全地吸收可能通过输入电压和EMI滤波器级的浪涌电流瞬变。
 
功率因数校正（PFC）电路通过降低从交流电源线吸取的总功率来提高充电效率。设计人员可以使用栅极驱动器和绝缘栅双极晶体管（IGBT）来控制电路中的电感量。设计人员应确保选择具有足够工作电压范围的栅极驱动器来控制IGBT。设计人员还应考虑选择一个具有高抗扰度的栅极驱动器来锁定，并具有快速上升和下降时间来快速切换IGBT。
 
快速上升和下降时间与较低的电源电流相结合，最大限度地降低了该电路块的功耗。栅极驱动器应提供防静电保护。 设计人员应该选择具有内置ESD保护的栅极驱动器，或者添加一个外部ESD二极管。 ESD二极管可以是双向的也可以是单向的，并且可以承受高达30 kV的ESD瞬变。
 
了解关键二极管
 
直流链路由电容器组组成，用于稳定大功率直流/直流变换器产生的纹波。担心到达直流链路的大电压瞬变的设计人员可以采用高压TVS二极管来保护电容器组。
 
直流 / 直流部分会提高输出充电电压，并为电池产生充电电流。 该电路模块需要与PFC电路模块相似的可靠的栅极驱动器。 如果栅极驱动器选择不包括内部ESD保护，则设计人员可以选择一个ESD二极管来保护栅极驱动器。 添加外部ESD二极管不会降低栅极驱动器的性能。
 
设计人员还应确保其电源IGBT免受电压瞬变的影响。除了防止外部瞬变，由于内部寄生电感的L·di/dt效应（L是电感，di/dt是电流变化率），IGBT还会产生关断开关瞬变。为了消除这种瞬态对IGBT的潜在损害，设计人员应该在每个IGBT的集电极和栅极之间放置一个TVS二极管。
 
TVS二极管通过提高栅极电压来降低电流瞬变的di/dt。当集电极-发射极电压超过TVS二极管的击穿电压时，电流通过TVS二极管流入栅极以提高其电势。TVS二极管继续导通，直到瞬态消除。
 
使用TVS二极管作为集电极-栅极反馈元件被称为有源钳位，并可将IGBT保持在稳定状态。 有关有源钳位的更多信息，请参阅参考应用说明1。一些IGBT具有内置有源钳位TVS二极管。 设计人员应选择该类型的IGBT或在其电路中添加TVS二极管。
 
保护CAN总线信号
 
当电机打开和关闭或电流因电缆断裂而瞬时中断时，输出电压侧需要提供保护，以防止电流过载和车内电压瞬变。 设计人员应考虑使用熔断器，以防止因电池组或承载电池电压的电缆短路而引起的过电流。 使用MOV或TVS二极管可防止潜在的破坏性电压瞬变。
 
充电器的控制单元通过CAN总线与数据网络联系。 为避免通信电路块和数据损坏，设计人员应提供ESD和瞬态保护。 他们可以使用单个节省空间的元件来实现保护。 图3显示了设计用于保护CAN总线信号线的双线TVS二极管阵列。 设计用于保护通信线路的二极管阵列包含较小的电容，并且不会降低发送器/接收器的I / O状态。
 
遵循保护和功率控制建议的设计人员将为其公司的电动汽车客户提供可靠和安全的电路。 设计人员应尽可能使用经AEC-Q认证且可在汽车环境中使用的合格元件。 例如，AEC-Q101覆盖分立半导体，和AEC-Q200覆盖无源元件，如压敏电阻。 此外，设计人员应考虑利用制造商的专家的帮助来选择合适的保护元件。