早在十多年前，電動汽車就已經引入400V電池系統，現在我們看到行業正在向800V系統遷移，主要是為了支持直流快速充電。隨著電壓的提高和從400V系統中學到的經驗教訓，設計人員現在正專注於增強高壓保護電路的性能並提高可靠性。他們正在重新評估使用熔絲、接觸器或繼電器的現有解決方案，以尋找響應速度更快、穩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）。

      一種領先的解決方案是基於碳化矽（SiC）技術的電子熔絲。SiC提供高工作電壓、高工作溫度、低導通電阻、低關斷狀態漏電流以及對過電壓瞬變的耐久性。電子熔絲的固態設計消除了與電弧、機械磨損、觸點抖動和定位焊相關的可靠性問題。其不再需要用於驅動接觸器線圈的節能器硬體。電子熔絲通過其可配置性、受控的導通和關斷、車載診斷和對高電壓瞬變的耐久性提高了系統級性能。 

 

今天推薦專家技術文章《碳化矽電子熔絲DEMO為設計人員提供電動汽車電路保護解決方案》對此進行了介紹。

 

作者：Microchip Technology Inc. 碳化矽事業部 技術應用工程師 Ehab Tarmoom

 

採用可復位設計，無需維修

電子熔絲採用全 SiC 設計，對短路的響應速度無與倫比，比熱熔絲的響應速度快數百倍。由 於這種特性，電子熔絲成為了基於熱熔絲的保護解決方案對的自然補充。儘管熱熔絲提供了穩健 且可靠的電路保護，但它不可復位。它是一次性使用的設備，就像安全氣囊里的火藥。

嚴重情況下，熱熔絲用作切斷系統電源的安全措施。一旦引爆，就需要更換。在高壓系統中 更換組件並不像在 12V 系統中那麼簡單。400V 或 800V 的系統電壓遠高於汽車行業通常認為安 全的 60V 限制，只有合格的維修技術員才能安全地進行維修。幸運的是，由於具有可配置的跳閘 特性，作為系統級配套解決方案的電子熔絲對過電流的敏感度要高於熱熔絲，從而可確保其先跳閘，以避免觸發熱熔絲。與當今的解決方案相比，電子熔絲的一大優點是其可復位性，這可幫助 電動汽車車主節省與車輛維修相關的時間、費用和麻煩。

 

穩健的直流電路保護

高壓直流系統中的電路保護帶來了獨特的挑戰。與交流系統不同，在交流系統中，過零有助於熄滅電弧，而直流系統則沒有這樣的過零。為了應對這一問題，高壓電動汽車繼電器和接觸器 包含了額外的複雜功能，以安全地熄滅電弧。然而，電弧仍然會侵蝕觸點，導致如高接觸電阻或 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，而不會產生電弧。在基於繼電器的解決方案中 造成電弧的感應能量類型也存在於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。 主要區別在於，電子熔絲的響應速度快，可將峰值電流降低到比傳統解決方案低幾個數量 級。由於感應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致允通能量的顯著減 少。這也會減輕線路壓力並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DEMO

圖 1 給出的 Microchip 輔助電子熔絲技術DEMO可供開發汽車高壓電子熔絲或固態繼電器的 設計人員使用。六種硬體型號分別提供 400V 和 800V 選項以及 10A、20A 和 30A 電流額定值， 支持評估 RDS(on)的定製為 15 mΩ到 40 mΩ的單個或並聯 SiC MOSFET。

 

圖 1——Microchip 的輔助電子熔絲技術DEMO

電子熔絲的控制和保護電路由 12V 系統供電。DEMO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，對低過電流的響應速度慢， 對高過電流的響應速度快。

它可以輕鬆調整以保護線路和負載。這三種檢測方法可以通過軟體或 LIN 接口輕鬆配置。最 左邊的藍色檢測方法使用結溫估計算法來描述跳閘行為。此算法使用電流測量值、環境溫度測量 值、SiC MOSFET 的 RDS(on)和熱設計特性來估計 SiC MOSFET 的結溫。

響應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，其響應時 間固定。最右邊的線段代表了一種基於硬體，但可以通過軟體配置的檢測方法。這種方法利用了 PIC® MCU 獨立於內核的外設（CIP），具體包括比較器、固定參考電壓、數模轉換器和配置為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，從而可以立即檢測到 短路並保護高壓系統。

 

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 類似於繼電器的靈活性，可以連接到系統中，作為為負載饋送高壓電池正極的高側輸出，或者作 為為負載到高壓電池負極提供返迴路徑的低側輸出，如圖 3 所示。

 

圖 3——電子熔絲系統級配置

高壓短路性能

為了真正展示電子熔絲與傳統汽車高壓熔絲之間響應時間的差異，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，電流達到測量設備的極限 3800A，並在 50 µs 後熔 斷高壓熔絲。根據測試參數，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。

它為系統設計人員提供了優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（導致高電流應力的故障引起硬體永久損壞）和可恢復故障（允許系 統自動復位，駕駛員可繼續操作車輛）之間的區別。

 

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等支持基礎設施也將從電子 熔絲中受益。電子熔絲提供的優勢不局限於汽車應用。

使用熔絲和接觸器的應用可受益於探討的一些主題以及其他優勢，包括車載電流檢測，這種 檢測可實現進一步的系統級集成和優化。非車載應用利用公共源和反串聯 SiC MOSFET 配置，需 要的電流能力可能比現有DEMO提供的更高。幸運的是，設計擴展十分簡單，可以針對公共源配置中 提供的 SiC 電源模塊進行調整。

隨著我們對性能、安全性和可靠性的關注度不斷提高，電子熔絲作為電路保護解決方案將不 斷髮展，成為優先採用的方法，如同我們看到 12V 系統從熔絲和繼電器轉向保護型固態驅動器， 最近又轉向低壓電子熔絲一樣。