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碳化矽電子保險絲展示板提升電動汽車電路保護效能
 

【作者: Ehab Tarmoom】   2023年12月25日 星期一

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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,主要是為了支援直流快速充電。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效能並提高可靠性,他們正在重新評估使用保險絲、接觸器或繼電器的現有解決方案,以尋找回應速度更快、更堅固且可靠性更高的解決方案,如熱保險絲和電子保險絲(E-Fuse)。


一種先進的解決方案是基於碳化矽(SiC)技術的電子保險絲,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。電子保險絲的固態設計消除了與電弧、機械磨損、觸點抖動和定位焊(Tack Weld)相關的可靠性問題,而不再需要用於驅動接觸器線圈的繼電器。電子保險絲透過其可配置性、受控的導通和關斷、車載診斷和對高電壓瞬變的耐久性,提高了系統級效能。


採用可重設設計

電子保險絲採用全SiC設計,對短路的回應速度迅速,比熱保險絲的回應速度快上數百倍。由於這種特性,電子保險絲成為了基於熱保險絲保護解決方案的天然替代方案。儘管熱保險絲提供了穩健且可靠的電路保護,但它不可重設,它是一次性使用的設備,就像安全氣囊裡的火藥。


在嚴重情況下,熱保險絲用作切斷系統電源的安全措施,一旦引爆,就需要更換;然而在高壓系統中更換元件並不像在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保險絲對於過電流的敏感度要高於熱保險絲,因此可確保其先跳閘,以避免觸發熱保險絲。


與當今的解決方案相比,電子保險絲的一大優點是其可重設性,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(zero-cross)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,電子保險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,也存在於電子保險絲的保護電路中;因此,電子保險絲解決方案在中斷電流時需要吸收這種能量。


主要區別在於電子保險絲的回應速度快,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。


可配置跳閘特性

Microchip輔助電子保險絲技術展示板可提供開發汽車高壓電子保險絲或固態繼電器的設計人員使用,電子保險絲的控制和保護電路由12V系統供電。展示板配有LIN通訊介面,支援直接連接到12V電池,同時可透過LIN活動從睡眠模式喚醒,或者從控制模組的開關電池輸出喚醒。


如圖一的時間-電流特性(TCC)曲線所示,電子保險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曲線定義電子保險絲類似保險絲的行為,對低過電流的回應速度慢,對高過電流的回應速度快,它可以輕鬆調整以保護線路和負載。


這三種檢測方法可以透過軟體或LIN介面輕鬆配置。最左邊的藍色檢測方法使用結溫估計演算法來描述跳閘行為。此演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。


回應時間隨過電流的大小而變化,中間線段代表使用單一電流測量的檢測方法,其回應時間固定。最右邊的線段代表了一種基於硬體,但可以透過軟體配置的檢測方法。這種方法利用PIC MCU核心獨立周邊(CIP),具體包括比較器、固定參考電壓、數位類比轉換器和配置為SR鎖存器的可配置邏輯單元,這可確保訊號傳播時間短至幾百奈秒以內,因此可以立即檢測到短路並保護高壓系統。



圖一 : 400V、20A電子保險絲型號的時間-電流特性曲線
圖一 : 400V、20A電子保險絲型號的時間-電流特性曲線

除了類似保險絲的行為外,電子保險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,高壓電子保險絲的控制訊號與高壓端子之間也有隔離屏障。電子保險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回路徑的低側輸出,如圖二所示。



圖二 : 電子保險絲系統級配置
圖二 : 電子保險絲系統級配置

高壓短路效能

為了真正展示電子保險絲與傳統汽車高壓保險絲之間回應時間的差異,在450V和大約3 μH線路電感的相似測試條件下,讓每種保險絲承受短路的影響。


圖三當中顯示出產生的波形。黑色波形是測試中流過高壓保險絲的電流。在30 μs內,電流達到測量設備的極限3800A,並在50 μs後熔斷高壓保險絲。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,使用電子保險絲時,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,電子保險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(允許系統自動重定,駕駛員可繼續操作車輛)之間的區別。



圖三 : 電子保險絲與高壓保險絲的電流波形
圖三 : 電子保險絲與高壓保險絲的電流波形

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援基礎設施,也將從電子保險絲中受益。電子保險絲提供的優勢不局限於汽車應用。


使用保險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整合和優化。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展示板提供的更高。幸運的是,設計擴充十分簡單,可以針對公共源配置中提供的SiC電源模組進行調整。


隨著對效能、安全性和可靠性的關注度不斷提高,電子保險絲作為電路保護解決方案將不斷發展,成為優先採用的方法,如同12V系統從保險絲和繼電器轉向保護型固態驅動器,最近又轉向低壓電子保險絲一樣。


(本文作者Ehab Tarmoom為Microchip Technology碳化矽事業部技術應用工程師)


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