早在十多年前，電動(dòng)汽車就已經(jīng)引入400V電池系統(tǒng),，現(xiàn)在我們看到行業(yè)正在向800V系統(tǒng)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(tǒng)中學(xué)到的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在正專注于增強(qiáng)高壓保護(hù)電路的性能并提高可靠性。他們正在重新評(píng)估使用熔絲、接觸器或繼電器的現(xiàn)有解決方案,，以尋找響應(yīng)速度更快、穩(wěn)健性更強(qiáng)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(lǐng)先的解決方案是基于碳化硅（SiC）技術(shù)的電子熔絲。SiC提供高工作電壓,、高工作溫度,、低導(dǎo)通電阻、低關(guān)斷狀態(tài)漏電流以及對(duì)過(guò)電壓瞬變的耐久性,。電子熔絲的固態(tài)設(shè)計(jì)消除了與電弧,、機(jī)械磨損、觸點(diǎn)抖動(dòng)和定位焊相關(guān)的可靠性問題,。其不再需要用于驅(qū)動(dòng)接觸器線圈的節(jié)能器硬件,。電子熔絲通過(guò)其可配置性、受控的導(dǎo)通和關(guān)斷,、車載診斷和對(duì)高電壓瞬變的耐久性提高了系統(tǒng)級(jí)性能,。

　　采用可復(fù)位設(shè)計(jì)，無(wú)需維修

　　電子熔絲采用全SiC設(shè)計(jì),，對(duì)短路的響應(yīng)速度無(wú)與倫比,，比熱熔絲的響應(yīng)速度快數(shù)百倍。由于這種特性,，電子熔絲成為了基于熱熔絲的保護(hù)解決方案對(duì)的自然補(bǔ)充,。盡管熱熔絲提供了穩(wěn)健且可靠的電路保護(hù)，但它不可復(fù)位,。它是一次性使用的設(shè)備,，就像安全氣囊里的火藥,。

　　嚴(yán)重情況下，熱熔絲用作切斷系統(tǒng)電源的安全措施,。一旦引爆,，就需要更換。在高壓系統(tǒng)中更換組件并不像在12V系統(tǒng)中那么簡(jiǎn)單,。400V或800V的系統(tǒng)電壓遠(yuǎn)高于汽車行業(yè)通常認(rèn)為安全的60V限制,，只有合格的維修技術(shù)員才能安全地進(jìn)行維修。幸運(yùn)的是,，由于具有可配置的跳閘特性,，作為系統(tǒng)級(jí)配套解決方案的電子熔絲對(duì)過(guò)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(fā)熱熔絲,。與當(dāng)今的解決方案相比，電子熔絲的一大優(yōu)點(diǎn)是其可復(fù)位性,，這可幫助電動(dòng)汽車車主節(jié)省與車輛維修相關(guān)的時(shí)間,、費(fèi)用和麻煩。

　　穩(wěn)健的直流電路保護(hù)

　　高壓直流系統(tǒng)中的電路保護(hù)帶來(lái)了獨(dú)特的挑戰(zhàn),。與交流系統(tǒng)不同,，在交流系統(tǒng)中，過(guò)零有助于熄滅電弧,，而直流系統(tǒng)則沒有這樣的過(guò)零,。為了應(yīng)對(duì)這一問題，高壓電動(dòng)汽車?yán)^電器和接觸器包含了額外的復(fù)雜功能,，以安全地熄滅電弧,。然而，電弧仍然會(huì)侵蝕觸點(diǎn),，導(dǎo)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?cái)嚅_直流電路,，而不會(huì)產(chǎn)生電弧,。在基于繼電器的解決方案中造成電弧的感應(yīng)能量類型也存在于電子熔絲的保護(hù)電路中，因此,，電子熔絲解決方案在中斷電流時(shí)需要吸收這種能量,。

　　主要區(qū)別在于，電子熔絲的響應(yīng)速度快,，可將峰值電流降低到比傳統(tǒng)解決方案低幾個(gè)數(shù)量級(jí),。由于感應(yīng)能量與電流的平方成正比，因此峰值短路電流的減少也會(huì)導(dǎo)致允通能量的顯著減少,。這也會(huì)減輕線路壓力并減少潛在的下游故障負(fù)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(shù)演示器可供開發(fā)汽車高壓電子熔絲或固態(tài)繼電器的設(shè)計(jì)人員使用,。六種硬件型號(hào)分別提供400V和800V選項(xiàng)以及10A、20A和30A電流額定值,，支持評(píng)估R_DS（on）的定制為15 m?到40 m?的單個(gè)或并聯(lián)SiC MOSFET,。

　　圖1——Microchip的輔助電子熔絲技術(shù)演示器

　　電子熔絲的控制和保護(hù)電路由12V系統(tǒng)供電。演示器配有LIN通信接口,，支持直接連接到12V電池,，同時(shí)可通過(guò)LIN活動(dòng)從睡眠模式喚醒，或者從控制模塊的開關(guān)電池輸出喚醒,。

　　如圖2的時(shí)間-電流特性（TCC）曲線所示,，電子熔絲包括三種過(guò)電流檢測(cè)方法，涵蓋從略微過(guò)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(duì)低過(guò)電流的響應(yīng)速度慢，對(duì)高過(guò)電流的響應(yīng)速度快,。

　　它可以輕松調(diào)整以保護(hù)線路和負(fù)載,。這三種檢測(cè)方法可以通過(guò)軟件或LIN接口輕松配置,。最左邊的藍(lán)色檢測(cè)方法使用結(jié)溫估計(jì)算法來(lái)描述跳閘行為,。此算法使用電流測(cè)量值、環(huán)境溫度測(cè)量值,、SiC MOSFET的R_DS（on）和熱設(shè)計(jì)特性來(lái)估計(jì)SiC MOSFET的結(jié)溫,。

　　響應(yīng)時(shí)間隨過(guò)電流的大小而變化。中間線段代表了使用單一電流測(cè)量的檢測(cè)方法,，其響應(yīng)時(shí)間固定,。最右邊的線段代表了一種基于硬件，但可以通過(guò)軟件配置的檢測(cè)方法,。這種方法利用了PIC^?MCU獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）,，具體包括比較器、固定參考電壓,、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和配置為

　　SR鎖存器的可配置邏輯單元,。這可確保信號(hào)傳播時(shí)間短至幾百納秒以內(nèi)，從而可以立即檢測(cè)到短路并保護(hù)高壓系統(tǒng),。

　　圖2——400V,、20A電子熔絲型號(hào)的時(shí)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(dān)機(jī)電繼電器的功能,。如同繼電器線圈及其高壓觸點(diǎn)彼此電氣隔離一樣,，高壓電子熔絲的控制信號(hào)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(tǒng)中,，作為為負(fù)載饋送高壓電池正極的高側(cè)輸出,，或者作為為負(fù)載到高壓電池負(fù)極提供返回路徑的低側(cè)輸出，如圖3所示,。

　　圖3——電子熔絲系統(tǒng)級(jí)配置

　　高壓短路性能

　　為了真正展示電子熔絲與傳統(tǒng)汽車高壓熔絲之間響應(yīng)時(shí)間的差異,，在450V和大約3 μH線路電感的相似測(cè)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(chǎn)生的波形,。黑色波形是測(cè)試中流過(guò)高壓熔絲的電流。在30 μs內(nèi),，電流達(dá)到測(cè)量設(shè)備的極限3800A,，并在50 μs后熔斷高壓熔絲。根據(jù)測(cè)試參數(shù),，峰值電流估計(jì)已超過(guò)6000A,。然而，如藍(lán)色波形所示,，使用電子熔絲時(shí),，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(duì)接線和下游負(fù)載的壓力,。

　　它為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供了優(yōu)化接線以減輕重量和降低成本的選項(xiàng)。在某些情況下,，電子熔絲的低允通電流將是拖車狀態(tài)（導(dǎo)致高電流應(yīng)力的故障引起硬件永久損壞）和可恢復(fù)故障（允許系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位,，駕駛員可繼續(xù)操作車輛）之間的區(qū)別。

　　圖4——電子熔絲與高壓熔絲的電流波形

　　除了電動(dòng)汽車本身,，如直流快速充電站或?yàn)槌潆娬竟╇姷奈㈦娋W(wǎng)等支持基礎(chǔ)設(shè)施也將從電子熔絲中受益,。電子熔絲提供的優(yōu)勢(shì)不局限于汽車應(yīng)用。

　　使用熔絲和接觸器的應(yīng)用可受益于探討的一些主題以及其他優(yōu)勢(shì),，包括車載電流檢測(cè),，這種檢測(cè)可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的系統(tǒng)級(jí)集成和優(yōu)化。非車載應(yīng)用利用公共源和反串聯(lián)SiC MOSFET配置,，需要的電流能力可能比演示器提供的更高,。幸運(yùn)的是，設(shè)計(jì)擴(kuò)展十分簡(jiǎn)單,，可以針對(duì)公共源配置中提供的SiC電源模塊進(jìn)行調(diào)整,。

　　隨著我們對(duì)性能、安全性和可靠性的關(guān)注度不斷提高,，電子熔絲作為電路保護(hù)解決方案將不斷發(fā)展,，成為優(yōu)先采用的方法，如同我們看到12V系統(tǒng)從熔絲和繼電器轉(zhuǎn)向保護(hù)型固態(tài)驅(qū)動(dòng)器，最近又轉(zhuǎn)向低壓電子熔絲一樣,。

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