為電動(dòng)車(chē)輛設計電路極具挑戰性。 為了確保能夠承受過(guò)載，瞬態(tài)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(chē)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(kāi)發(fā)能夠承受來(lái)自?xún)热及l(fā)動(dòng)機和大功率電動(dòng)機瞬變的電路設計人員而言，混合動(dòng)力汽車(chē)代表了最壞的情況。 在這種環(huán)境下，車(chē)載充電器必須與交流電源線(xiàn)及其可能產(chǎn)生的過(guò)載和瞬變相匹配。

 

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

 

車(chē)載充電器將交流線(xiàn)路電壓轉換為主電池組充電所需的直流電壓，當電池充滿(mǎn)時(shí)，主電池組的電壓范圍為300至500 V。消費者希望電動(dòng)汽車(chē)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(chē)載充電器的框圖。在此例子中，表示了一個(gè)單相電路。每個(gè)電路子框圖都需要保護元件，兩個(gè)電路子框圖需要功率控制元件來(lái)優(yōu)化充電器的效率。

 

轉到瞬態(tài)保護

 

輸入電壓部分容易受到瞬變的影響，如雷擊和交流線(xiàn)路上的浪涌。第一種線(xiàn)路保護是提供過(guò)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(guò)載情況下斷開(kāi)。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(tài)能量，并可防止其損壞下游電路。

 

如果車(chē)載充電器使用三相電源，則設計人員應考慮添加MOV進(jìn)行相-相瞬態(tài)保護以及相-中性點(diǎn)瞬態(tài)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(lián)。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(tài)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(xiàn)和中性線(xiàn)與車(chē)輛底盤(pán)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(lái)提供必要的電源。晶閘管還可以安全地吸收可能通過(guò)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(guò)降低從交流電源線(xiàn)吸取的總功率來(lái)提高充電效率。設計人員可以使用柵極驅動(dòng)器和絕緣柵雙極晶體管（IGBT）來(lái)控制電路中的電感量。設計人員應確保選擇具有足夠工作電壓范圍的柵極驅動(dòng)器來(lái)控制IGBT。設計人員還應考慮選擇一個(gè)具有高抗擾度的柵極驅動(dòng)器來(lái)鎖定，并具有快速上升和下降時(shí)間來(lái)快速切換IGBT。

 

快速上升和下降時(shí)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(dòng)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(dòng)器，或者添加一個(gè)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(guān)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(chǎn)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(lái)保護電容器組。

 

直流 / 直流部分會(huì )提高輸出充電電壓，并為電池產(chǎn)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(dòng)器。 如果柵極驅動(dòng)器選擇不包括內部ESD保護，則設計人員可以選擇一個(gè)ESD二極管來(lái)保護柵極驅動(dòng)器。 添加外部ESD二極管不會(huì )降低柵極驅動(dòng)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(huì )產(chǎn)生關(guān)斷開(kāi)關(guān)瞬變。為了消除這種瞬態(tài)對IGBT的潛在損害，設計人員應該在每個(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)降低電流瞬變的di/dt。當集電極-發(fā)射極電壓超過(guò)TVS二極管的擊穿電壓時(shí)，電流通過(guò)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(tài)消除。

 

使用TVS二極管作為集電極-柵極反饋元件被稱(chēng)為有源鉗位，并可將IGBT保持在穩定狀態(tài)。 有關(guān)有源鉗位的更多信息，請參閱參考應用說(shuō)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(lèi)型的IGBT或在其電路中添加TVS二極管。

 

保護CAN總線(xiàn)信號

 

當電機打開(kāi)和關(guān)閉或電流因電纜斷裂而瞬時(shí)中斷時(shí)，輸出電壓側需要提供保護，以防止電流過(guò)載和車(chē)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(guò)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(guò)CAN總線(xiàn)與數據網(wǎng)絡(luò )聯(lián)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(tài)保護。 他們可以使用單個(gè)節省空間的元件來(lái)實(shí)現保護。 圖3顯示了設計用于保護CAN總線(xiàn)信號線(xiàn)的雙線(xiàn)TVS二極管陣列。 設計用于保護通信線(xiàn)路的二極管陣列包含較小的電容，并且不會(huì )降低發(fā)送器/接收器的I / O狀態(tài)。

 

遵循保護和功率控制建議的設計人員將為其公司的電動(dòng)汽車(chē)客戶(hù)提供可靠和安全的電路。 設計人員應盡可能使用經(jīng)AEC-Q認證且可在汽車(chē)環(huán)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(wú)源元件，如壓敏電阻。 此外，設計人員應考慮利用制造商的專(zhuān)家的幫助來(lái)選擇合適的保護元件。