隨著設(shè)計(jì)人員將更多的安全、便利和連接功能融入到最新的汽車設(shè)計(jì)中，尤其是在電動(dòng)汽車 (EV) 中，電子元件的含量正在不斷增加。

作者: James Colby, Littelfuse, Inc.

電子控制單元 (ECU) 管理著汽車的每項(xiàng)功能，隨著功能的增加，其數(shù)量也在不斷增加。目前，高端汽車可包含多達(dá)150個(gè)ECU，它們對(duì)主控制系統(tǒng)的信息交流和響應(yīng)至關(guān)重要。

汽車控制架構(gòu)

汽車控制架構(gòu)正從單層設(shè)計(jì)向多層設(shè)計(jì)發(fā)展，以應(yīng)對(duì)將眾多ECU集成到一個(gè)反應(yīng)靈敏、可靠的系統(tǒng)中的復(fù)雜性。

分布式結(jié)構(gòu)：指每個(gè)ECU直接與主控制器通信的早期系統(tǒng);

域架構(gòu)：隨著車輛變得越來(lái)越復(fù)雜而出現(xiàn)，引入域控制器來(lái)管理特定功能并卸載主控制器的任務(wù);

分區(qū)架構(gòu)：在這一最新發(fā)展中，按物理區(qū)域?qū)CU進(jìn)行分組，并使用先進(jìn)的分區(qū)控制器 (ZCU) 管理這些區(qū)域內(nèi)的所有功能，從而提高了效率、降低了布線復(fù)雜性并增強(qiáng)了可擴(kuò)展性。

分區(qū)架構(gòu)具有若干優(yōu)勢(shì)：

縮短車輛響應(yīng)時(shí)間，提高安全性;

模塊化、可擴(kuò)展的區(qū)域添加或修改;

更快、更高效的以太網(wǎng)通信;

減少布線，降低復(fù)雜性。

圖1: 展示了這些架構(gòu)的演變過(guò)程

在電動(dòng)汽車中，分區(qū)控制提高了效率和可擴(kuò)展性。分區(qū)分布優(yōu)化了動(dòng)力系統(tǒng)的電池管理、能量回收和功率控制。分區(qū)控制單元還能監(jiān)控和調(diào)節(jié)熱條件和傳感器數(shù)據(jù)，以最大限度地提高動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的性能。

由于ZCU已成為車輛運(yùn)行不可或缺的一部分，因此其可靠性至關(guān)重要。ZCU的設(shè)計(jì)應(yīng)能承受惡劣的汽車環(huán)境，包括過(guò)流、過(guò)壓和靜電放電 (ESD) 危險(xiǎn)。除ZCU外，牽引電機(jī)逆變器和車載電池充電器等其他關(guān)鍵動(dòng)力總成部件也面臨類似的電氣危險(xiǎn)。下文將提供保護(hù)這些電路和提高其可靠性的建議。

保護(hù)分區(qū)控制單元

鑒于分區(qū)控制單元的關(guān)鍵作用，它應(yīng)安全耐用，并能在惡劣條件下可靠運(yùn)行。圖2顯示了典型ZCU的電路框圖。本文將詳細(xì)介紹如何保護(hù)這些電路免受電氣危險(xiǎn)，確保車輛的使用壽命和安全運(yùn)行。圖中還列出了保護(hù)單個(gè)ZCU電路的推薦組件。

ZCU需要保護(hù)，以防故障影響電源，如電源故障或負(fù)載電路故障導(dǎo)致的過(guò)流情況?？焖夙憫?yīng)保險(xiǎn)絲或聚合物正溫度系數(shù)自恢復(fù)保險(xiǎn)絲都能提供必要的保護(hù)。符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的一次性保險(xiǎn)絲和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲可以承受汽車環(huán)境中的惡劣條件。

圖2: ZCU框圖和推薦的保護(hù)元件

電源也會(huì)受到高瞬態(tài)電壓的影響，尤其是在電源中斷時(shí)，拋負(fù)載會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)尖峰。瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管或金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 可以箝位瞬態(tài)電壓，保護(hù)下游電路。MOV可以處理較高的負(fù)載轉(zhuǎn)儲(chǔ)能量，但TVS二極管對(duì)瞬態(tài)電壓的響應(yīng)速度更快，并能箝位到較低的電壓。MOV和TVS二極管的型號(hào)都通過(guò)了AEC認(rèn)證。

確保ZCU中的眾多通信和控制接口不會(huì)在惡劣的汽車環(huán)境中受到損壞，對(duì)于車輛的安全運(yùn)行至關(guān)重要。靜電放電和瞬態(tài)電壓是主要的危險(xiǎn)能量源。ESD二極管和聚合物ESD抑制器可為通信數(shù)據(jù)線和控制線提供適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)。許多類型的此類元件具有低電容，可將信號(hào)失真降至最低。附錄介紹了ESD保護(hù)解決方案的型號(hào)，這些解決方案可確保通過(guò)通信和控制端口進(jìn)行可靠的數(shù)據(jù)傳輸，ZCU通過(guò)這些端口與其控制區(qū)內(nèi)的功能和分區(qū)控制架構(gòu)中的其他ZCU進(jìn)行連接。

保護(hù)車載電池充電器

車載電池充電器 (圖3) 將交流線路電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，為主電池組充電。由于用戶要求更快的充電速度，因此越來(lái)越需要更高功率的電路，包括三相電源。本例說(shuō)明的是單相電路。每個(gè)電路框圖都需要保護(hù)元件，其中兩個(gè)電路框圖需要功率元件來(lái)優(yōu)化效率。

除了防止電動(dòng)汽車環(huán)境中固有的瞬變，充電器還必須處理交流電源線路風(fēng)險(xiǎn)，如過(guò)載和瞬變。設(shè)計(jì)人員應(yīng)像保護(hù)任何線路供電產(chǎn)品一樣保護(hù)車載充電器，并保護(hù)通信電路以防止數(shù)據(jù)損壞。盡量減少內(nèi)部功耗對(duì)于縮短電池充電時(shí)間也至關(guān)重要。

圖3: 車載電池充電器框圖和推薦組件

保護(hù)電路可攔截交流線路上的瞬變，如雷擊和浪涌。火線保護(hù)是使用保險(xiǎn)絲提供過(guò)載保護(hù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用高額定分?jǐn)?a href="http://www.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流和高額定電壓的保險(xiǎn)絲，以確保保險(xiǎn)絲在最惡劣的電流過(guò)載情況下也能斷開。為防止瞬態(tài)浪涌或雷擊，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在充電器輸入連接處附近放置一個(gè)MOV。MOV將吸收瞬態(tài)能量，防止其損壞下級(jí)電路塊。如果車載充電器使用三相電源，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮添加MOV，以提供差模瞬態(tài)保護(hù)和共模中性瞬態(tài)保護(hù)。

為了更好地保護(hù)下游電路，設(shè)計(jì)人員可以將雙極晶閘管與MOV串聯(lián)。保護(hù)晶閘管的箝位電壓很低，而且可以有很高的保持電流。使用保護(hù)晶閘管的話，可以允許設(shè)計(jì)人員選擇具有較低箝位電壓的MOV。最終效果是降低了下級(jí)電路瞬間承受的峰值瞬態(tài)電壓。

氣體放電管 (GDT) 是可提供卓越的電路保護(hù)的第四個(gè)安全元件。它為共模保護(hù)提供了高電氣隔離，為防止雷電干擾引起的快速瞬變提供了額外的保護(hù)。

剩余電流監(jiān)控器可檢測(cè)電源線或高壓線與中性線之間的差值，以避免產(chǎn)生危險(xiǎn)的交流或直流泄漏電流或絕緣擊穿電流。各種型號(hào)的剩余電流監(jiān)控器可檢測(cè)6mA的直流電流差值和10mA的交流電流差值。

為實(shí)現(xiàn)快速、大功率充電，設(shè)計(jì)人員應(yīng)為整流器模塊選擇具有足夠電流處理能力的晶閘管，以提供所需的功率。晶閘管還能安全地承受通過(guò)保護(hù)元件和EMI濾波器級(jí)的高浪涌瞬態(tài)電流。

功率因數(shù)校正電路通過(guò)降低交流電源線路的總功率來(lái)提高充電器的效率。 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)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)人員應(yīng)選擇工作電壓范圍足夠大的柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)控制IGBT。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)考慮選擇抗閂鎖能力強(qiáng)、上升和下降時(shí)間快的柵極驅(qū)動(dòng)器，以便快速切換IGBT?？焖偕仙拖陆禃r(shí)間與柵極驅(qū)動(dòng)器的低電源電流相結(jié)合，可最大限度地降低該電路模塊的功耗。柵極驅(qū)動(dòng)器還需要ESD保護(hù);設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇具有內(nèi)置ESD保護(hù)功能的柵極驅(qū)動(dòng)器，或添加一個(gè)外部ESD二極管。各種版本的ESD二極管可以是雙向或單向的，可承受高達(dá)30kV的ESD瞬態(tài)電壓。

DC/DC電路提升輸出充電電壓，并為電池產(chǎn)生充電電流。設(shè)計(jì)人員還應(yīng)確保功率IGBT不受瞬態(tài)電壓的影響。除了外部瞬態(tài)保護(hù)外，IGBT還會(huì)因內(nèi)部寄生電感的Ldi/dt影響而產(chǎn)生關(guān)斷開關(guān)瞬態(tài)。為了消除這種瞬態(tài)對(duì)IGBT造成的潛在損壞，設(shè)計(jì)人員應(yīng)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)降低瞬態(tài)電流的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)，電流會(huì)通過(guò)TVS二極管流入柵極，以提高其電位。TVS二極管繼續(xù)導(dǎo)通，直至瞬態(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箝位，這種方法可保持IGBT的穩(wěn)定。有關(guān)有源箝位的更多信息，請(qǐng)參閱參考應(yīng)用說(shuō)明2。有些IGBT具有內(nèi)置的有源箝位TVS二極管，設(shè)計(jì)人員應(yīng)選擇這種IGBT類型或在電路中添加TVS二極管。

輸出電壓級(jí)可能需要在電機(jī)開關(guān)或電纜斷開瞬間中斷電流時(shí)提供電流過(guò)載和車內(nèi)瞬態(tài)電壓保護(hù)。在某些情況下，由于其他模塊包含了保護(hù)功能，因此此處無(wú)需保護(hù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮使用保險(xiǎn)絲來(lái)保護(hù)因電池組或傳輸電池電壓的電線短路而導(dǎo)致的過(guò)流。使用MOV或TVS二極管可防止?jié)撛诘钠茐男运矐B(tài)電壓。

充電器的控制單元與ZCU通信。為避免通信電路塊受損和數(shù)據(jù)損壞，設(shè)計(jì)人員應(yīng)在輸入/輸出線路上提供靜電放電和瞬態(tài)電壓保護(hù)。保護(hù)ZCU CAN總線的同類型ESD二極管也能保護(hù)控制單元I/O線路。

推薦使用的元件將使充電器能夠抵御電氣危險(xiǎn)。圖3中的表格概述了充電器電路的推薦元件。

保護(hù)牽引電機(jī)逆變器

牽引電機(jī)逆變器將蓄電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電，以驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。該電路塊的運(yùn)行需要安全、高效和可靠的推進(jìn)力。 圖4顯示了牽引電機(jī)逆變器的電路模塊，表中列出了推薦的保護(hù)、控制和傳感元件。

圖4: 牽引電機(jī)逆變器框圖和推薦組件

與ZCU電路中的電源一樣，牽引逆變器電路中的電源也需要過(guò)流和瞬態(tài)電壓保護(hù)。保險(xiǎn)絲和TVS二極管可提供必要的保護(hù)。

CAN收發(fā)器需要一個(gè)ESD二極管陣列來(lái)防止ESD放電沖擊。為ZCU中的CAN/CAN FD電路推薦的TVS二極管陣列同樣可以保護(hù)該電路。

柵極驅(qū)動(dòng)器電路控制功率晶體管。柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路控制IGBT和SiC MOSFET等功率晶體管的開關(guān)，以最大限度地減少功率損耗和提高效率。保護(hù)柵極驅(qū)動(dòng)器集成電路需要使用ESD二極管陣列來(lái)安全吸收ESD撞擊。

逆變器模塊為推進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)。為確保逆變器可靠運(yùn)行，需要對(duì)功率晶體管進(jìn)行過(guò)流、電壓瞬變和熱保護(hù)。為防止功率晶體管在危險(xiǎn)的高溫下工作，需要使用熱保護(hù)器等裝置，中斷功率晶體管電路的供電電流。

使用碳化硅MOSFET時(shí)，MOSFET柵極和源極之間的TVS二極管可保護(hù)MOSFET免受瞬態(tài)電壓的影響。對(duì)于IGBT，集電極和柵極之間的TVS二極管可防止集電極電壓瞬態(tài)上升對(duì)IGBT造成損壞。TVS二極管將集電極-柵極電壓箝位到IGBT的安全水平。這種方法是保護(hù)車載電池充電器電路中IGBT的有源箝位技術(shù)。

監(jiān)測(cè)電機(jī)負(fù)載電流可顯示電機(jī)的健康狀況。監(jiān)測(cè)電流的常用方法是使用霍爾效應(yīng)技術(shù)的電流傳感器，該技術(shù)利用磁性檢測(cè)來(lái)感應(yīng)負(fù)載電流。負(fù)載電流線穿過(guò)霍爾效應(yīng)傳感器的開孔或其下方，可對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行隔離監(jiān)控，而不會(huì)增加電路的功率損耗。

這些元件將確保牽引電機(jī)逆變器電路的保護(hù)、傳感和有效控制。圖4中的表格提供了元件建議。

實(shí)現(xiàn)可靠的ZCU和動(dòng)力總成電路的可用資源

隨著汽車控制架構(gòu)向分區(qū)控制過(guò)渡，ZCU、車載充電器和牽引電機(jī)逆變器的可靠運(yùn)行對(duì)于實(shí)現(xiàn)分區(qū)設(shè)計(jì)的安全和效率優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。推薦使用的過(guò)流、過(guò)壓和溫度保護(hù)元件可確保在惡劣的汽車環(huán)境中保持穩(wěn)定的性能。

與Littelfuse這樣的電路保護(hù)專家合作，可幫助設(shè)計(jì)人員節(jié)省開發(fā)時(shí)間和成本。Littelfuse的應(yīng)用工程師會(huì)就高性價(jià)比、高效的保護(hù)、控制和傳感元件提出建議，同時(shí)協(xié)助符合汽車標(biāo)準(zhǔn)。這種支持包括合規(guī)前測(cè)試，以簡(jiǎn)化認(rèn)證流程，避免標(biāo)準(zhǔn)組織的延誤。憑借Littelfuse的專業(yè)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以自信地設(shè)計(jì)出可靠、強(qiáng)大的汽車電子產(chǎn)品。