碳化硅電子熔絲演示器為設計人員提供電動汽車電路保護解決方案

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于碳化硅（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。其不再需要用于驅動接觸器線圈的節能器硬件。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。

采用可復位設計，無需維修

電子熔絲采用全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并不像在12V系統中那么簡單。400V或800V的系統電壓遠高于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，由于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于熱熔絲，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，過零有助于熄滅電弧，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復雜功能，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。在基于繼電器的解決方案中造成電弧的感應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。

主要區別在于，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。由于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輔助電子熔絲技術演示器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R_DS(on⁾的定制為15 m?到40 m?的單個或并聯SiC MOSFET。

圖1——Microchip的輔助電子熔絲技術演示器

電子熔絲的控制和保護電路由12V系統供電。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。

它可以輕松調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并保護高壓系統。

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。電子熔絲擁有類似于繼電器的靈活性，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，并在50 μs后熔斷高壓熔絲。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件永久損壞）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于汽車應用。

使用熔絲和接觸器的應用可受益于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演示器提供的更高。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發展，成為優先采用的方法，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。