在電動化和自動化程度更高的車輛中建立可靠電路保護的設計注意事項。

圖1。在混合動力電動汽車電氣結構中，車載充電器必須與交流電源線及其可能產生的過載和瞬態過壓相匹配。

圖2。車載充電器框圖和推薦的保護和功率控制器件。

圖3。用于保護CAN總線的TVS二極管陣列。

為電動車輛設計電路極具挑戰性。 為了確保能夠承受過載，瞬態和靜電放電（ESD）的可靠和安全設計，設計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，提出了電路保護和高效功率控制的建議。

如圖1示意圖所示，對于必須開發能夠承受來自內燃發動機和大功率電動機瞬變的電路設計人員而言，混合動力汽車代表了最壞的情況。 在這種環境下，車載充電器必須與交流電源線及其可能產生的過載和瞬變相匹配。

設計人員應該保護車載充電器，就像保護任何線路供電產品一樣。 他們還希望保護通信電路以避免數據損壞，同時將內部功耗降至最低，從而使電池充電時間盡可能短。

車載充電器將交流線路電壓轉換為主電池組充電所需的直流電壓，當電池充滿時，主電池組的電壓范圍為300至500 V。消費者希望電動汽車充電更快，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，表示了一個單相電路。每個電路子框圖都需要保護元件，兩個電路子框圖需要功率控制元件來優化充電器的效率。

轉到瞬態保護

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。第一種線路保護是提供過載保護的熔斷器。設計人員應考慮具有高中斷電流額定值和高電壓額定值的保險絲，以確保保險絲在最壞的電流過載情況下斷開。為了防止電涌瞬變或雷擊，設計人員應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，則設計人員應考慮添加MOV進行相-相瞬態保護以及相-中性點瞬態保護。為了更好地保護下游電路，設計人員可以將半導體放電管與MOV串聯。半導體放電管的箝位電壓非常低，約為5 V。半導體放電管的使用允許設計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電壓。

用于高級電路保護的第四種保護元件是氣體放電管。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別的保護，以防止雷電干擾引起的快速上升的瞬變。

IGBT保護和控制

對于快速、大功率充電，設計者應選擇具有足夠電流處理能力的整流塊晶閘管來提供必要的電源。晶閘管還可以安全地吸收可能通過輸入電壓和EMI濾波器級的浪涌電流瞬變。

功率因數校正（PFC）電路通過降低從交流電源線吸取的總功率來提高充電效率。設計人員可以使用柵極驅動器和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來控制電路中的電感量。設計人員應確保選擇具有足夠工作電壓范圍的柵極驅動器來控制IGBT。設計人員還應考慮選擇一個具有高抗擾度的柵極驅動器來鎖定，并具有快速上升和下降時間來快速切換IGBT。

快速上升和下降時間與較低的電源電流相結合，最大限度地降低了該電路塊的功耗。柵極驅動器應提供防靜電保護。 設計人員應該選擇具有內置ESD保護的柵極驅動器，或者添加一個外部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30 kV的ESD瞬變。

了解關鍵二極管

直流鏈路由電容器組組成，用于穩定大功率直流/直流變換器產生的紋波。擔心到達直流鏈路的大電壓瞬變的設計人員可以采用高壓TVS二極管來保護電容器組。

直流 / 直流部分會提高輸出充電電壓，并為電池產生充電電流。 該電路模塊需要與PFC電路模塊相似的可靠的柵極驅動器。 如果柵極驅動器選擇不包括內部ESD保護，則設計人員可以選擇一個ESD二極管來保護柵極驅動器。 添加外部ESD二極管不會降低柵極驅動器的性能。

設計人員還應確保其電源IGBT免受電壓瞬變的影響。除了防止外部瞬變，由于內部寄生電感的L·di/dt效應（L是電感，di/dt是電流變化率），IGBT還會產生關斷開關瞬變。為了消除這種瞬態對IGBT的潛在損害，設計人員應該在每個IGBT的集電極和柵極之間放置一個TVS二極管。

TVS二極管通過提高柵極電壓來降低電流瞬變的di/dt。當集電極-發射極電壓超過TVS二極管的擊穿電壓時，電流通過TVS二極管流入柵極以提高其電勢。TVS二極管繼續導通，直到瞬態消除。

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保持在穩定狀態。 有關有源鉗位的更多信息，請參閱參考應用說明1。一些IGBT具有內置有源鉗位TVS二極管。 設計人員應選擇該類型的IGBT或在其電路中添加TVS二極管。

保護CAN總線信號

當電機打開和關閉或電流因電纜斷裂而瞬時中斷時，輸出電壓側需要提供保護，以防止電流過載和車內電壓瞬變。 設計人員應考慮使用熔斷器，以防止因電池組或承載電池電壓的電纜短路而引起的過電流。 使用MOV或TVS二極管可防止潛在的破壞性電壓瞬變。

充電器的控制單元通過CAN總線與數據網絡聯系。 為避免通信電路塊和數據損壞，設計人員應提供ESD和瞬態保護。 他們可以使用單個節省空間的元件來實現保護。 圖3顯示了設計用于保護CAN總線信號線的雙線TVS二極管陣列。 設計用于保護通信線路的二極管陣列包含較小的電容，并且不會降低發送器/接收器的I / O狀態。

遵循保護和功率控制建議的設計人員將為其公司的電動汽車客戶提供可靠和安全的電路。 設計人員應盡可能使用經AEC-Q認證且可在汽車環境中使用的合格元件。 例如，AEC-Q101覆蓋分立半導體，和AEC-Q200覆蓋無源元件，如壓敏電阻。 此外，設計人員應考慮利用制造商的專家的幫助來選擇合適的保護元件。