【導(dǎo)讀】早在十多年前，電動汽車就已經(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)中學到的經(jīng)驗教訓(xùn)，設(shè)計人員現(xiàn)在正專注于增強高壓保護電路的性能并提高可靠性。
早在十多年前，電動汽車就已經(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)中學到的經(jīng)驗教訓(xùn)，設(shè)計人員現(xiàn)在正專注于增強高壓保護電路的性能并提高可靠性。他們正在重新評估使用熔絲、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)漏電流以及對過電壓瞬變的耐久性。電子熔絲的固態(tài)設(shè)計消除了與電弧、機械磨損、觸點抖動和定位焊相關(guān)的可靠性問題。其不再需要用于驅(qū)動接觸器線圈的節(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、車載診斷和對高電壓瞬變的耐久性提高了系統(tǒng)級性能。
采用可復(fù)位設(shè)計，無需維修
電子熔絲采用全SiC設(shè)計，對短路的響應(yīng)速度無與倫比，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解決方案對的自然補充。盡管熱熔絲提供了穩(wěn)健且可靠的電路保護，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)中那么簡單。400V或800V的系統(tǒng)電壓遠高于汽車行業(yè)通常認為安全的60V限制，只有合格的維修技術(shù)員才能安全地進行維修。幸運的是，由于具有可配置的跳閘特性，作為系統(tǒng)級配套解決方案的電子熔絲對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。與當今的解決方案相比，電子熔絲的一大優(yōu)點是其可復(fù)位性，這可幫助電動汽車車主節(jié)省與車輛維修相關(guān)的時間、費用和麻煩。
穩(wěn)健的直流電路保護
高壓直流系統(tǒng)中的電路保護帶來了獨特的挑戰(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)對這一問題，高壓電動汽車繼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，電弧仍然會侵蝕觸點，導(dǎo)致如高接觸電阻或定位焊等可靠性問題。
另一方面，電子熔絲能安全地斷開直流電路，而不會產(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電路中，因此，電子熔絲解決方案在中斷電流時需要吸收這種能量。
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)解決方案低幾個數(shù)量級。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導(dǎo)致允通能量的顯著減少。這也會減輕線路壓力并減少潛在的下游故障負載。
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)計人員使用。六種硬件型號分別提供400V和800V選項以及10A、20A和30A電流額定值，支持評估RDS(on)的定制為15 m?到40 m?的單個或并聯(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，同時可通過LIN活動從睡眠模式喚醒，或者從控制模塊的開關(guān)電池輸出喚醒。
如圖2的時間-電流特性（TCC）曲線所示，電子熔絲包括三種過電流檢測方法，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，對低過電流的響應(yīng)速度慢，對高過電流的響應(yīng)速度快。
它可以輕松調(diào)整以保護線路和負載。這三種檢測方法可以通過軟件或LIN接口輕松配置。最左邊的藍色檢測方法使用結(jié)溫估計算法來描述跳閘行為。此算法使用電流測量值、環(huán)境溫度測量值、SiC MOSFET的RDS(on)和熱設(shè)計特性來估計SiC MOSFET的結(jié)溫。
響應(yīng)時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量的檢測方法，其響應(yīng)時間固定。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方法。這種方法利用了PIC? MCU獨立于內(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。這可確保信號傳播時間短至幾百納秒以內(nèi)，從而可以立即檢測到短路并保護高壓系統(tǒng)。
圖2——400V、20A電子熔絲型號的時間-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機電繼電器的功能。如同繼電器線圈及其高壓觸點彼此電氣隔離一樣，高壓電子熔絲的控制信號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，作為為負載饋送高壓電池正極的高側(cè)輸出，或者作為為負載到高壓電池負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)時間的差異，在450V和大約3 μH線路電感的相似測試條件下，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。黑色波形是測試中流過高壓熔絲的電流。在30 μs內(nèi)，電流達到測量設(shè)備的極限3800A，并在50 μs后熔斷高壓熔絲。根據(jù)測試參數(shù)，峰值電流估計已超過6000A。然而，如藍色波形所示，使用電子熔絲時，跳閘前的電流只有128A。這表示允通電流顯著減少，最大程度減少了對接線和下游負載的壓力。
它為系統(tǒng)設(shè)計人員提供了優(yōu)化接線以減輕重量和降低成本的選項。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
除了電動汽車本身，如直流快速充電站或為充電站供電的微電網(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，包括車載電流檢測，這種檢測可實現(xiàn)進一步的系統(tǒng)級集成和優(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。幸運的是，設(shè)計擴展十分簡單，可以針對公共源配置中提供的SiC電源模塊進行調(diào)整。
隨著我們對性能、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)向保護型固態(tài)驅(qū)動器，最近又轉(zhuǎn)向低壓電子熔絲一樣。
（來源：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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