作者@@：Microchip Technology Inc.碳化硅@@事业部技术@@应用工程师@@Ehab Tarmoom
早在@@十多年前@@，电动汽车@@就已经引入@@400V电池@@系统@@，现在@@我们看到@@行业正在@@向@@800V系统迁移@@，主要是为了支持直流快速充电@@。随着电压的@@提高@@和@@从@@400V系统中学到@@的@@经验教训@@，设计@@人员现在@@正专注于增强高压保护电路的@@性能并提高@@可靠性@@。他们正在@@重新评估使用熔丝@@、接触器或@@继电器的@@现有解决方案@@，以寻找响应速度更快@@、稳健性更强且可靠性更高的@@解决方案@@，如热熔丝和@@电子@@熔丝@@@@（即@@E-Fuse）。一种领先的@@解决方案是基于碳化硅@@@@（SiC）技术@@的@@电子@@熔丝@@@@。SiC提供高工作电压@@、高工作温度@@、低导通电阻@@、低关断状态漏电流以及对过电压瞬变的@@耐久性@@。电子@@熔丝@@的@@固态设计@@消除了与电弧@@、机械磨损@@、触点抖动和@@定位焊相关的@@可靠性问题@@。其不再需要用于驱动接触器线圈的@@节能器硬件@@。电子@@熔丝@@通过其可配置@@性@@、受控的@@导通和@@关断@@、车载诊断和@@对高电压瞬变的@@耐久性提高@@了系统级性能@@。
采用可复位设计@@@@，无需维修@@
电子@@熔丝@@采用全@@SiC设计@@，对短路的@@响应速度无与伦比@@，比热熔丝的@@响应速度快数百倍@@。由于这种特性@@，电子@@熔丝@@成为了基于热熔丝的@@保护解决方案对的@@自然补充@@。尽管热熔丝提供了稳健且可靠的@@电路保护@@@@，但它不可复位@@。它是一次性使用的@@设备@@@@，就像安全气囊里的@@火药@@。
严重情况下@@，热熔丝用作切断系统电源的@@安全措施@@。一旦引爆@@，就需要更换@@。在@@高压系统中更换组件并不像在@@@@12V系统中那么简单@@。400V或@@800V的@@系统电压远高于汽车行业通常认为安全的@@@@60V限制@@，只有合格的@@维修技术@@员才能安全地进行维修@@。幸运的@@是@@，由于具有可配置@@的@@跳闸特性@@，作为系统级配套解决方案的@@电子@@熔丝@@对过电流的@@敏感度要高于热熔丝@@，从而可确保其先跳闸@@，以避免触发热熔丝@@。与当今的@@解决方案相比@@，电子@@熔丝@@的@@一大优点是其可复位性@@，这可帮助电动汽车@@车主节省与车辆维修相关的@@时间@@@@、费用和@@麻烦@@。
稳健的@@直流电路保护@@@@
高压直流系统中的@@电路保护@@带来了独特的@@挑战@@。与交流系统不同@@，在@@交流系统中@@，过零有助于熄灭电弧@@，而直流系统则没有这样的@@过零@@。为了应对这一问题@@，高压电动汽车@@继电器和@@接触器包含了额外的@@复杂功能@@，以安全地熄灭电弧@@。然而@@，电弧仍然会侵蚀触点@@，导致如高接触电阻或@@定位焊等可靠性问题@@。
另一方面@@，电子@@熔丝@@能安全地断开直流电路@@，而不会产生电弧@@。在@@基于继电器的@@解决方案中造成电弧的@@感应能量类型也存在@@于电子@@熔丝@@的@@保护电路中@@，因此@@，电子@@熔丝@@解决方案在@@中断电流时需要吸收这种能量@@。
主要区别在@@于@@，电子@@熔丝@@的@@响应速度快@@，可将峰值电流降低到@@比传统解决方案低几个数量级@@。由于感应能量与电流的@@平方成正比@@，因此@@峰值短路电流的@@减少也会导致允通能量的@@显著减少@@。这也会减轻线路压力并减少潜在@@的@@下游故障负载@@。
具有可配置@@跳闸特性的@@电子@@熔丝@@演示器@@
图@@1给出的@@@@Microchip辅助电子@@熔丝@@技术@@演示器可供开发汽车高压电子@@熔丝@@或@@固态继电器的@@设计@@人员使用@@。六种硬件型号分别提供@@400V和@@800V选项以及@@10A、20A和@@30A电流额定值@@，支持评估@@RDS(on)的@@定制为@@15 mΩ到@@40 mΩ的@@单个或@@并联@@SiC MOSFET。
图@@1——Microchip的@@辅助电子@@熔丝@@技术@@演示器@@
电子@@熔丝@@的@@控制和@@保护电路由@@12V系统供电@@。演示器配有@@LIN通信接口@@，支持直接连接到@@@@12V电池@@，同时可通过@@LIN活动从睡眠模式唤醒@@，或@@者从控制模块的@@开关电池@@输出唤醒@@。
如图@@@@2的@@时间@@-电流特性@@（TCC）曲线所示@@@@，电子@@熔丝@@包括三种过电流检测方法@@，涵盖从略微过电流到@@极高短路电流@@。TCC曲线定义了电子@@熔丝@@类似熔丝的@@行为@@，对低过电流的@@响应速度慢@@，对高过电流的@@响应速度快@@。
它可以轻松调整以保护线路和@@负载@@。这三种检测方法可以通过软件或@@@@LIN接口轻松配置@@@@。最左边的@@蓝色检测方法使用结温估计算法来描述跳闸行为@@。此算法使用电流测量值@@、环境温度测量值@@、SiC MOSFET的@@RDS(on)和@@热设计@@特性来估计@@SiC MOSFET的@@结温@@。
响应时间随过电流的@@大小而变化@@。中间线段代表了使用单一电流测量的@@检测方法@@，其响应时间固定@@。最右边的@@线段代表了一种基于硬件@@，但可以通过软件配置@@的@@检测方法@@。这种方法利用了@@PIC® MCU独立于内@@核的@@外设@@（CIP），具体包括比较器@@、固定参考电压@@、数模转换器和@@配置@@为@@SR锁存器的@@可配置@@逻辑单元@@。这可确保信号传播时间短至几百纳秒以内@@@@，从而可以立即@@检测到@@短路并保护高压系统@@。
图@@2——400V、20A电子@@熔丝@@型号的@@时间@@@@-电流特性@@曲线@@
除了类似熔丝的@@行为外@@，电子@@熔丝@@还可以承担机电继电器的@@功能@@。如同继电器线圈及其高压触点彼此电气隔离一样@@，高压电子@@熔丝@@的@@控制信号与高压端子之间也有隔离屏障@@。电子@@熔丝@@拥有类似于继电器的@@灵活性@@，可以连接到@@系统中@@，作为为负载馈送高压电池@@正极的@@高侧输出@@，或@@者作为为负载到@@高压电池@@负极提供返回路径的@@低侧输出@@，如图@@@@3所示@@。
图@@3——电子@@熔丝@@系统级配置@@@@
高压短路性能@@
为了真正展示电子@@熔丝@@与传统汽车高压熔丝之间响应时间的@@差异@@，在@@450V和@@大约@@3 µH线路电感的@@相似测试条件下@@，我们让每种熔丝承受短路的@@影响@@。图@@4中给出了产生的@@波形@@。黑色波形是测试中流过高压熔丝的@@电流@@。在@@30 µs内@@，电流达到@@测量设备@@的@@极限@@3800A，并在@@@@50 µs后熔断高压熔丝@@。根据测试参数@@，峰值电流估计已超过@@6000A。然而@@，如蓝色波形所示@@@@，使用电子@@熔丝@@时@@，跳闸前的@@电流只有@@128A。这表示允通电流显著减少@@，最大程度减少了对接线和@@下游负载的@@压力@@。
它为系统设计@@人员提供了优化接线以减轻重量和@@降低成本的@@选项@@。在@@某些情况下@@，电子@@熔丝@@的@@低允通电流将是拖车状态@@（导致高电流应力的@@故障引起硬件永久损坏@@）和@@可恢复故障@@（允许系统自动复位@@，驾驶员可继续操作车辆@@）之间的@@区别@@。
图@@4——电子@@熔丝@@与高压熔丝的@@电流波形@@
除了电动汽车@@本身@@，如直流快速充电站或@@为充电站供电的@@微电网@@等支持基础设施也将从电子@@熔丝@@中受益@@。电子@@熔丝@@提供的@@优势不局限于汽车应用@@。
使用熔丝和@@接触器的@@应用可受益于探讨的@@一些主题以及其他优势@@，包括车载电流检测@@，这种检测可实现进一步的@@系统级集成和@@优化@@。非车载应用利用公共源和@@反串联@@SiC MOSFET配置@@，需要的@@电流能力可能比演示器提供的@@更高@@。幸运的@@是@@，设计@@扩展十分简单@@，可以针对公共源配置@@中提供的@@@@SiC电源模块进行调整@@。
随着我们对性能@@、安全性和@@可靠性的@@关注度不断提高@@@@，电子@@熔丝@@作为电路保护@@解决方案将不断发展@@，成为优先采用的@@方法@@，如同我们看到@@@@12V系统从熔丝和@@继电器转向保护型固态驱动器@@，最近又转向低压电子@@熔丝@@一样@@。