隨著設計人員將更多的安全、便利和連接功能融入到最新的汽車設計中，尤其是在電動汽車 (EV) 中，電子元件的含量正在不斷增加。

作者: James Colby, Littelfuse, Inc.

電子控制單元 (ECU) 管理著汽車的每項功能，隨著功能的增加，其數量也在不斷增加。目前，高端汽車可包含多達150個ECU，它們對主控制系統的信息交流和響應至關重要。

汽車控制架構

汽車控制架構正從單層設計向多層設計發展，以應對將眾多ECU集成到一個反應靈敏、可靠的系統中的復雜性。

分布式結構：指每個ECU直接與主控制器通信的早期系統;

域架構：隨著車輛變得越來越復雜而出現，引入域控制器來管理特定功能并卸載主控制器的任務;

分區架構：在這一最新發展中，按物理區域對ECU進行分組，并使用先進的分區控制器 (ZCU) 管理這些區域內的所有功能，從而提高了效率、降低了布線復雜性并增強了可擴展性。

分區架構具有若干優勢：

縮短車輛響應時間，提高安全性;

模塊化、可擴展的區域添加或修改;

更快、更高效的以太網通信;

減少布線，降低復雜性。

圖1: 展示了這些架構的演變過程

在電動汽車中，分區控制提高了效率和可擴展性。分區分布優化了動力系統的電池管理、能量回收和功率控制。分區控制單元還能監控和調節熱條件和傳感器數據，以最大限度地提高動力傳動系統的性能。

由于ZCU已成為車輛運行不可或缺的一部分，因此其可靠性至關重要。ZCU的設計應能承受惡劣的汽車環境，包括過流、過壓和靜電放電 (ESD) 危險。除ZCU外，牽引電機逆變器和車載電池充電器等其他關鍵動力總成部件也面臨類似的電氣危險。下文將提供保護這些電路和提高其可靠性的建議。

保護分區控制單元

鑒于分區控制單元的關鍵作用，它應安全耐用，并能在惡劣條件下可靠運行。圖2顯示了典型ZCU的電路框圖。本文將詳細介紹如何保護這些電路免受電氣危險，確保車輛的使用壽命和安全運行。圖中還列出了保護單個ZCU電路的推薦組件。

ZCU需要保護，以防故障影響電源，如電源故障或負載電路故障導致的過流情況。快速響應保險絲或聚合物正溫度系數自恢復保險絲都能提供必要的保護。符合AEC-Q200標準的一次性保險絲和自恢復保險絲可以承受汽車環境中的惡劣條件。

圖2: ZCU框圖和推薦的保護元件

電源也會受到高瞬態電壓的影響，尤其是在電源中斷時，拋負載會產生感應尖峰。瞬態電壓抑制 (TVS) 二極管或金屬氧化物壓敏電阻 (MOV) 可以箝位瞬態電壓，保護下游電路。MOV可以處理較高的負載轉儲能量，但TVS二極管對瞬態電壓的響應速度更快，并能箝位到較低的電壓。MOV和TVS二極管的型號都通過了AEC認證。

確保ZCU中的眾多通信和控制接口不會在惡劣的汽車環境中受到損壞，對于車輛的安全運行至關重要。靜電放電和瞬態電壓是主要的危險能量源。ESD二極管和聚合物ESD抑制器可為通信數據線和控制線提供適當的保護。許多類型的此類元件具有低電容，可將信號失真降至最低。附錄介紹了ESD保護解決方案的型號，這些解決方案可確保通過通信和控制端口進行可靠的數據傳輸，ZCU通過這些端口與其控制區內的功能和分區控制架構中的其他ZCU進行連接。

保護車載電池充電器

車載電池充電器 (圖3) 將交流線路電壓轉換為直流電壓，為主電池組充電。由于用戶要求更快的充電速度，因此越來越需要更高功率的電路，包括三相電源。本例說明的是單相電路。每個電路框圖都需要保護元件，其中兩個電路框圖需要功率元件來優化效率。

除了防止電動汽車環境中固有的瞬變，充電器還必須處理交流電源線路風險，如過載和瞬變。設計人員應像保護任何線路供電產品一樣保護車載充電器，并保護通信電路以防止數據損壞。盡量減少內部功耗對于縮短電池充電時間也至關重要。

圖3: 車載電池充電器框圖和推薦組件

保護電路可攔截交流線路上的瞬變，如雷擊和浪涌。火線保護是使用保險絲提供過載保護。設計人員應考慮使用高額定分斷電流和高額定電壓的保險絲，以確保保險絲在最惡劣的電流過載情況下也能斷開。為防止瞬態浪涌或雷擊，設計人員應在充電器輸入連接處附近放置一個MOV。MOV將吸收瞬態能量，防止其損壞下級電路塊。如果車載充電器使用三相電源，設計人員應考慮添加MOV，以提供差模瞬態保護和共模中性瞬態保護。

為了更好地保護下游電路，設計人員可以將雙極晶閘管與MOV串聯。保護晶閘管的箝位電壓很低，而且可以有很高的保持電流。使用保護晶閘管的話，可以允許設計人員選擇具有較低箝位電壓的MOV。最終效果是降低了下級電路瞬間承受的峰值瞬態電壓。

氣體放電管 (GDT) 是可提供卓越的電路保護的第四個安全元件。它為共模保護提供了高電氣隔離，為防止雷電干擾引起的快速瞬變提供了額外的保護。

剩余電流監控器可檢測電源線或高壓線與中性線之間的差值，以避免產生危險的交流或直流泄漏電流或絕緣擊穿電流。各種型號的剩余電流監控器可檢測6mA的直流電流差值和10mA的交流電流差值。

為實現快速、大功率充電，設計人員應為整流器模塊選擇具有足夠電流處理能力的晶閘管，以提供所需的功率。晶閘管還能安全地承受通過保護元件和EMI濾波器級的高浪涌瞬態電流。

功率因數校正電路通過降低交流電源線路的總功率來提高充電器的效率。 設計人員可以使用柵極驅動器和絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 來控制電路中的電感量。設計人員應選擇具有足夠工作電壓范圍的柵極驅動器來控制IGBT。設計人員應選擇工作電壓范圍足夠大的柵極驅動器來控制IGBT。設計人員還應考慮選擇抗閂鎖能力強、上升和下降時間快的柵極驅動器，以便快速切換IGBT。快速上升和下降時間與柵極驅動器的低電源電流相結合，可最大限度地降低該電路模塊的功耗。柵極驅動器還需要ESD保護;設計人員應選擇具有內置ESD保護功能的柵極驅動器，或添加一個外部ESD二極管。各種版本的ESD二極管可以是雙向或單向的，可承受高達30kV的ESD瞬態電壓。

DC/DC電路提升輸出充電電壓，并為電池產生充電電流。設計人員還應確保功率IGBT不受瞬態電壓的影響。除了外部瞬態保護外，IGBT還會因內部寄生電感的Ldi/dt影響而產生關斷開關瞬態。為了消除這種瞬態對IGBT造成的潛在損壞，設計人員應在每個IGBT的集電極和柵極之間放置一個TVS二極管。TVS二極管通過提高柵極電壓來降低瞬態電流的di/dt。當集電極-發射極電壓超過 TVS二極管的擊穿電壓時，電流會通過TVS二極管流入柵極，以提高其電位。TVS二極管繼續導通，直至瞬態消除。使用TVS二極管作為集電極-柵極反饋元件被稱為有源箝位，這種方法可保持IGBT的穩定。有關有源箝位的更多信息，請參閱參考應用說明2。有些IGBT具有內置的有源箝位TVS二極管，設計人員應選擇這種IGBT類型或在電路中添加TVS二極管。

輸出電壓級可能需要在電機開關或電纜斷開瞬間中斷電流時提供電流過載和車內瞬態電壓保護。在某些情況下，由于其他模塊包含了保護功能，因此此處無需保護。設計人員應考慮使用保險絲來保護因電池組或傳輸電池電壓的電線短路而導致的過流。使用MOV或TVS二極管可防止潛在的破壞性瞬態電壓。

充電器的控制單元與ZCU通信。為避免通信電路塊受損和數據損壞，設計人員應在輸入/輸出線路上提供靜電放電和瞬態電壓保護。保護ZCU CAN總線的同類型ESD二極管也能保護控制單元I/O線路。

推薦使用的元件將使充電器能夠抵御電氣危險。圖3中的表格概述了充電器電路的推薦元件。

保護牽引電機逆變器

牽引電機逆變器將蓄電池直流電轉換為交流電，以驅動牽引電機。該電路塊的運行需要安全、高效和可靠的推進力。 圖4顯示了牽引電機逆變器的電路模塊，表中列出了推薦的保護、控制和傳感元件。

圖4: 牽引電機逆變器框圖和推薦組件

與ZCU電路中的電源一樣，牽引逆變器電路中的電源也需要過流和瞬態電壓保護。保險絲和TVS二極管可提供必要的保護。

CAN收發器需要一個ESD二極管陣列來防止ESD放電沖擊。為ZCU中的CAN/CAN FD電路推薦的TVS二極管陣列同樣可以保護該電路。

柵極驅動器電路控制功率晶體管。柵極驅動器集成電路控制IGBT和SiC MOSFET等功率晶體管的開關，以最大限度地減少功率損耗和提高效率。保護柵極驅動器集成電路需要使用ESD二極管陣列來安全吸收ESD撞擊。

逆變器模塊為推進電機提供動力驅動。為確保逆變器可靠運行，需要對功率晶體管進行過流、電壓瞬變和熱保護。為防止功率晶體管在危險的高溫下工作，需要使用熱保護器等裝置，中斷功率晶體管電路的供電電流。

使用碳化硅MOSFET時，MOSFET柵極和源極之間的TVS二極管可保護MOSFET免受瞬態電壓的影響。對于IGBT，集電極和柵極之間的TVS二極管可防止集電極電壓瞬態上升對IGBT造成損壞。TVS二極管將集電極-柵極電壓箝位到IGBT的安全水平。這種方法是保護車載電池充電器電路中IGBT的有源箝位技術。

監測電機負載電流可顯示電機的健康狀況。監測電流的常用方法是使用霍爾效應技術的電流傳感器，該技術利用磁性檢測來感應負載電流。負載電流線穿過霍爾效應傳感器的開孔或其下方，可對電機電流進行隔離監控，而不會增加電路的功率損耗。

這些元件將確保牽引電機逆變器電路的保護、傳感和有效控制。圖4中的表格提供了元件建議。

實現可靠的ZCU和動力總成電路的可用資源

隨著汽車控制架構向分區控制過渡，ZCU、車載充電器和牽引電機逆變器的可靠運行對于實現分區設計的安全和效率優勢至關重要。推薦使用的過流、過壓和溫度保護元件可確保在惡劣的汽車環境中保持穩定的性能。

與Littelfuse這樣的電路保護專家合作，可幫助設計人員節省開發時間和成本。Littelfuse的應用工程師會就高性價比、高效的保護、控制和傳感元件提出建議，同時協助符合汽車標準。這種支持包括合規前測試，以簡化認證流程，避免標準組織的延誤。憑借Littelfuse的專業技術，設計人員可以自信地設計出可靠、強大的汽車電子產品。