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保护下一代电动车的关键车载充电电路

2021-11-17 Jim Colby,Littelfuse 阅读:
在电动车中加入强大的电路保护以确保可靠性和安全性...

为下一代车辆创新设计电路极具挑战性。新的车辆设计融合了大量复杂的微处理器电路以及最新的电动车(EV)车载充电技术。为了确保目前的新设计可靠和安全,并且能够承受超载、瞬变和静电放电,电子设计人员必须确保其电路具有防止这种损坏的必要组件。本白皮书介绍了车载充电电路的七个关键任务,为电路保护和高效电源控制提供了建议。vBeednc

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图 1:电动车的主要电路。vBeednc

电动车的主要电路概述如上图1所示。这张图描述了一种混合动力车,它结合了内燃机和电力驱动。混合动力车对电子工程师而言是最棘手的情况,他们必须开发出足够可靠的电路,以承受内燃机和大功率马达都可能产生的瞬变。vBeednc

除了保护这些电路免于受到电动车固有的瞬变之外,车载充电器还必须与交流(AC)电源线匹配,因AC电源线可能产生瞬变和超载。车载充电器电路的保护方式应与设计工程师保护任何线路供电产品的方式相同。通讯电路也必须得到适当的保护,以确保处理器能承受住任何的ESD瞬变,从而避免数据损坏。除此之外,工程师希望设计此电路以最大限度地减少内部功耗,这有助于尽可能缩短电池充电时间。vBeednc

车载充电器将AC线路电压转换为主电池组充电所需的直流(DC)电压。电池组的完全充电电压范围为300-500V。今日的电动车消费者想要更快的充电速度。因此,需要包括三相电源在内的更高功率的充电电路。图2显示具有单相电路的车载充电器方块图范例。每个电路块都标识了推荐的保护组件,还有根据需要,已达最佳充电器效率的控制组件。vBeednc

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图 2:车载充电器方块图。 vBeednc

输入电压

输入电压部份容易受到瞬变的影响,包括AC线路上的雷击和突波。提供超载保护的保险丝是第一道防线。考虑具有高分断电流额定值和高额定电压的保险丝;这可确保保险丝在最坏的电流超载情况下断开。在保险丝的下游放置一个金属氧化物压敏电阻(MOV)以防止突波瞬变或雷击。MOV 可吸收瞬态能量并协助防止其损坏下游更远的其它电路。如果车载充电器(OBC)使用三相电源,请考虑增加用于相间瞬态保护和相中性瞬态保护的MOV。vBeednc

为了更进一步保护下游电路,请将双极闸流体(bipolar thyristor)与MOV串联。闸流体的箝位电压非常低,通常在5V左右。闸流体的使用还使设计人员能够选择具有较低隔离电压的MOV。这种组合的好处是降低了下级电路瞬间暴露的峰值瞬态电压。vBeednc

气体放电管(GDT)提供了第四级的高度电路保护。GDT在火线和中性线与车辆底盘接地之间提供高电阻、电气隔离。GDT 提供了额外的保护力度,以防止雷击干扰引起的快速上升瞬变。 vBeednc

整流器

电路设计人员可以选择具有足够电流处理能力的整流块闸流体,为快速、高功率充电提供必要的功率。这种技术(过整流二极管)的使用提供了「更软」的启动(更低的突波电流)并减少了功率因子校正模块上的电应力。闸流体还可以安全地吸收可能已经通过输入电压和EMI滤波器级的瞬变突波电流。 vBeednc

功率因子校正

利用功率因子校正电路提高充电效率,从而降低AC电源线中提取的总功率。使用闸极驱动器和绝缘闸双极晶体管(IGBT)控制电路中的电感量。确保选择具有足够工作电压范围的闸极驱动器来控制IGBT。除此之外,请考虑选择具有高抗闩锁能力和快速上升和下降时间的闸极驱动器,以快速切换 IGBT。快速上升和下降时间与低电源电流相结合,提高了电路的电源效率。请务必选择具有内建 ESD保护功能的闸极驱动器,或添加外部ESD二极管来保护闸极驱动器免受ESD影响。双向或单向 ESD二极管可承受高达30kV的ESD瞬变。 vBeednc

DC链路

DC链路由电容器组组成,用于稳定大功率DC/DC转换器产生的纹波。考虑到DC链路的大电压瞬变,设计工程师可以利用高电压TVS二极管来保护电容器组。vBeednc

DC/DC 转换器

DC/DC部份提高输出充电电压并为电池产生充电电流。与功率因子校正电路类似,DC/DC转换器需要强大的闸极驱动器。如果选择的闸极驱动器不包括内部 ESD 保护,请务必添加 ESD 二极管以保护闸极驱动器。添加外部 ESD 二极管并不至于降低闸极驱动器的性能。vBeednc

确保功率IGBT避免受到电压瞬变的影响非常重要。除了防止外部瞬变外,由于内部寄生电感的L·di/dt 效应,IGBT 还会产生关断开关瞬变。在每个 IGBT 的集电极和闸极之间放置一个 TVS二极管,以消除这种瞬态对IGBT的潜在损坏。TVS二极管提高闸极电压来降低瞬态电流的di/dt。当集电极-发射极电压超过TVS二极管的击穿电压时,电流通过TVS二极管流入闸极以提高其电位。TVS二极管继续导通,直到瞬态消失。「主动箝位」(active clamping)的作用是以TVS二极管作为集电极-闸极回馈组件使IGBT 保持稳定状态。有些IGBT内建主动箝位TVS二极管。请选择该类型的IGBT或在电路中添加TVS 二极管。vBeednc

输出电压

当马达接通和断开时,或当电流因电缆断裂而瞬间中断时,可能会发生电流超载和车内电压瞬变。因此,输出电压级需要有强大的保护。考虑使用保险丝来防止因电池组或承载电池电压的电缆短路而导致的过电流。MOV或TVS二极管可防止任何潜在的破坏性电压瞬变。vBeednc

控制单元

充电器的控制单元通过CAN总线与数据网络通讯。为避免损坏通讯电路和避免数据损坏,请确保提供 ESD和瞬态保护。这种保护可以利用单个组件来实现以节省空间。例如,图 3显示了为 CAN 总线讯号线保护而设计的双线 TVS 二极管数组。专为保护通讯线路而设计的 TVS 二极管数组具有最小的电容,并且不会降低发送器/接收器 I/O 状态。vBeednc

图 3:用于 CAN 总线线路保护的 TVS二极管数组。vBeednc

设计工程师遵循这些保护和控制建议,可以确保他们的新车载充电系统将为其电动车驾驶人提供强大、可靠和安全的电路。只要有可能,请记住使用经认证可在危险的汽车环境中使用的AEC-Q合格组件(即AEC-Q101涵盖分离式半导体,AEC-Q200涵盖例如压敏电阻等被动组件)。请务必记住,在选择合适的保护和电源控制组件时,还可以利用制造商的专业知识和丰富的应用知识来获得协助。vBeednc

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