作者：James Colby

隨著現代汽車的不斷發展，其電氣和電子(EE)架構必須進行調整，以有效管理日益增長的電力需求。傳統分布式和基于域的控制系統在復雜性、大量布線和通信瓶頸等問題上舉步維艱。分區控制架構通過將電子控制單元(ECU)整合到局部區域、優化功率分配、減少布線和提高系統可靠性來應對這些挑戰。

本文探討了向分區控制的過渡、分區控制對電源管理的影響，以及確保下一代汽車系統安全、可靠和高效運行的關鍵保護策略。

1更智能、更安全、更互聯

現代電動汽車集成了先進的安全、便利和互聯功能，因此對電子控制單元(ECU)的依賴越來越大。高端汽車使用的ECU超過150個，因此必須采用更高效、可擴展的控制架構。

汽車控制系統已從單層設計發展到多層設計，以管理日益復雜的ECU。

分布式架構：早期的系統，每個 ECU 直接與主控制器通信;

域架構：引入域控制器處理特定功能，減少主控制器的工作量;

區域架構：將ECU按物理區域分組，由區域控制器(ZCU)管理每個區域內的功能。

圖1 汽車控制架構的演變

分區架構具有更快的車輛響應時間、模塊化可擴展性、高速以太網通信和更低的布線復雜性，從而提高了安全性。然而，從分布式或基于域的系統轉向更為集中的分區方法，也需要重新定義分布式電源管理策略。確保可靠的跨區配電，同時保持效率并防止電氣危害，已成為設計中的一個重要考慮因素。

2利用分區控制提高電動汽車效率和可靠性

分區控制可優化電動汽車的電池管理、能量回收和動力總成效率。ZCU可調節熱條件和傳感器數據，同時確保在過流、過壓和ESD危害等惡劣條件下的可靠性。牽引電機逆變器和車載充電機等關鍵動力總成組件也面臨類似風險。以下章節概述了提高電路可靠性的保護策略。

保護ZCU

鑒于ZCU的關鍵作用，它必須堅固耐用，能夠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害，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使用環境中的惡劣條件。

圖2 ZCU框圖

電源也會受到高瞬態電壓的影響，特別是在電源中斷時，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可以處理較高的拋負載能量，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使用環境中受到損壞，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害能量源。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。選擇低電容元件以減少信號失真，使用靜電放電保護解決方案，可確保在分區控制架構內的ZCU及其連接功能之間進行可靠的數據傳輸。

保護車載電池充電機(OBC)

車載電池充電機(圖3)將交流線路電壓轉換為直流電壓，為電池組充電，工作電壓為400-800V。隨著更快、更高功率的充電(包括三相電源)成為標準配置，每個電路模塊都需要保護元件，有些還需要控制元件以提高效率。

除了電動汽車瞬變之外，OBC還面臨過載和瞬變等交流電源線路風險。要像保護任何線路供電產品一樣保護它，保護通信電路免受數據損壞，同時盡量減少內部功耗，以縮短充電時間。

圖3 板載電池充電機框圖

保護電路可攔截交流線路上的雷擊和浪涌等瞬變。第一線保護是使用保險絲提供過載保護。為確保保險絲能在最壞的電流過載情況下斷開，應使用額定分斷電流大、額定電壓高的保險絲。為防止瞬態浪涌或雷擊，應盡可能在充電器的輸入連接處安裝MOV。MOV將吸收瞬態能量，防止其損壞下級電路。如果OBC使用三相電源，則應考慮添加MOV以提供差模瞬態保護和共模瞬態保護。

為了更好地保護下游電路，可將雙極晶閘管與MOV串聯。保護晶閘管具有極低的箝位電壓和較高的浪涌電流能力。使用晶閘管可以選擇具有較低箝位電壓的MOV，這樣做的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)是第四個保護元件，可提供卓越的電路保護。它在火線和中性線與車輛底盤接地之間提供了高度電氣隔離，為防止雷電干擾引起的快速瞬變提供了額外保護。剩余電流監視器可檢測交流/直流泄漏電流或絕緣擊穿電流，其感應直流差為6mA，交流差為10mA。

整流器模塊應使用具有高電流處理能力的晶閘管，以提供必要的電源，并安全地承受通過保護和EMI濾波器級的浪涌瞬態電流。

功率因數校正電路通過降低總交流功耗來提高效率。為調節電感，應使用柵極驅動器和絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，選擇具有合適電壓范圍、高抗閂鎖效應和快速開關時間的驅動器，以盡量減少功率損耗。使用能承受高達30kV瞬態電壓的內置或外置ESD二極管確保ESD保護。

DC/DC電路可提升充電電壓并為電池產生電流。為減輕Ldi/dt的影響，應在集電極和柵極之間放置一個TVS二極管，以保護功率IGBT免受瞬態電壓的影響。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。某些IGBT內置有源箝位TVS二極管。

當電機接通或斷開時，或當電流因電纜斷裂而瞬間中斷時，輸出電壓級可能需要提供電流過載保護和車內瞬態電壓保護。有時，由于其他模塊也包含保護功能，因此此處無需保護。可以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。為避免通信電路模塊受損和數據損壞，應對輸入/輸出線提供靜電放電和瞬態電壓保護。保護ZCU CAN總線的同類型ESD二極管可保護控制單元 I/O 線路。

通過實施這些保護策略，設計人員可以確保OBC具有強大的抗電危害能力。圖3總結了推薦的組件。

保護牽引電機逆變器

牽引電機逆變器將電池直流電轉換為交流電，以驅動牽引電機。該電路模塊的運行需要安全、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

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 。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 。

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SiC 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。這和保護OBC電路中的IGBT一樣， 提供了一種主動箝位技術。

監測電機負載電流可顯示電機的狀態。監測電流的常見選擇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。

3確保可靠的ZCU和動力總成性能

隨著汽車架構向分區控制轉變，確保ZCU、車載充電機和牽引電機逆變器的可靠性對于安全和效率至關重要。適當的過流、過壓和熱保護元件可提高在惡劣環境中的耐用性。與電子元件制造商的應用工程專家(如Littelfuse團隊)合作，就高性價比的保護、控制和傳感解決方案提出寶貴建議，有助于簡化開發流程，同時通過預合規性測試幫助符合汽車標準，減少認證延誤。

關于作者：James Colby是Littelfuse公司業務開發高級經理。目前工作點包括開發戰略性電動交通市場，以及向該市場推出新產品和解決方案。James Colby擁有南伊利諾伊大學(卡本代爾)電氣工程學士學位和凱勒管理研究生院(沙姆堡)工商管理碩士學位。在Littelfuse工作超過25年，在電子行業工作近35年。