隨著車輛的進(jìn)步，其電氣電子（ EE） 架構(gòu)必須跟上步伐，以有效應(yīng)對不斷增長的電力需求。傳統(tǒng)的分布式和基于域的控制系統(tǒng)面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，包括復(fù)雜性增加、布線過多和通信瓶頸。區(qū)域控制架構(gòu)通過將電子控制單元（ECU）整合到局部區(qū)域、簡化配電、減少布線要求并提高系統(tǒng)可靠性來提供解決方案。本文探討了向區(qū)域控制的轉(zhuǎn)變、其在電源管理中的作用，以及確保下一代汽車系統(tǒng)安全、高效運(yùn)行所需的關(guān)鍵保護(hù)策略。

現(xiàn)代電動(dòng)汽車集成了先進(jìn)的安全、便利和連接功能，推動(dòng)了對電子控制單元（ECU）依賴性的增加。隨著高端車輛集成了150 多個(gè)ECU，對更高效、更易于擴(kuò)展的控制架構(gòu)的需求變得顯而易見。汽車控制系統(tǒng)已經(jīng)從單層設(shè)計(jì)發(fā)展到多層設(shè)計(jì)，以應(yīng)對日益增長的ECU復(fù)雜性。

●   分布式架構(gòu)：早期設(shè)計(jì)中，每個(gè) ECU直接連接到主控制器。

●   領(lǐng)域架構(gòu)：引入域控制器來監(jiān)督特定功能，減輕主控制器的負(fù)擔(dān)。

●   區(qū)域架構(gòu)：按車輛的物理區(qū)域組織 ECU，區(qū)域控制器（ ZCU）管理每個(gè)區(qū)域內(nèi)的作。

區(qū)域架構(gòu)通過更快的響應(yīng)時(shí)間提高安全性，支持模塊化可擴(kuò)展性，支持高速以太網(wǎng)通信，并降低布線復(fù)雜性。然而，從分布式或基于域的系統(tǒng)遷移到集中式區(qū)域模型也需要重新定義分布式電源管理方法。確?？鐓^(qū)域穩(wěn)定的電力傳輸，同時(shí)保持效率并防止電氣故障，已成為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)優(yōu)先事項(xiàng)。

圖1 汽車架構(gòu)的演變歷程

1   通過區(qū)域控制提高電動(dòng)汽車的效率和可靠性

區(qū)域控制通過改善電池管理、支持能量回收和提高動(dòng)力總成效率來增強(qiáng)電動(dòng)汽車性能。域控制器（ZCU）監(jiān)控?zé)釛l件和傳感器數(shù)據(jù)，同時(shí)在可能涉及過流、過壓和靜電放電（ ESD） 風(fēng)險(xiǎn)的苛刻環(huán)境中保持可靠性。關(guān)鍵動(dòng)力總成元件，包括牽引電機(jī)逆變器和車載電池充電器，也面臨這些危險(xiǎn)。以下各節(jié)重點(diǎn)介紹了提高電路魯棒性的保護(hù)方法。

圖2 ZCU框圖

2   保護(hù)ZCU

作為每個(gè)區(qū)域內(nèi)的中心樞紐，ZCU即使在惡劣的條件下也需要提供一致、可靠的運(yùn)行。圖 2顯示了ZCU中常見電路的框圖。本文討論了這些電路的保護(hù)技術(shù)，以確保耐用性和安全車輛運(yùn)行，以及推薦的保護(hù)組件。

ZCU需要針對電源故障進(jìn)行保護(hù)，例如由電源側(cè)或負(fù)載側(cè)故障引起的過流事件?？梢允褂每焖偃蹟嗥骰蚓酆衔镎郎囟认禂?shù)（ PPTC） 自恢復(fù)熔斷器來實(shí)現(xiàn)保護(hù)。符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)的一次性和可復(fù)位保險(xiǎn)絲均可承受汽車環(huán)境的嚴(yán)苛條件。

ZCU中的電源容易受到高壓瞬變的影響，尤其是負(fù)載突降，當(dāng)電源突然中斷時(shí)會產(chǎn)生感應(yīng)尖峰。為了保護(hù)下游電路，可以使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管或金屬氧化物壓敏電阻 （MOV）。雖然MOV可以吸收更高的負(fù)載突降能量， 但TVS二極管提供更快的響應(yīng)和鉗位到更低的電壓。MOV和TVS二極管型號均具有AEC認(rèn)證。

同樣重要的是保護(hù)ZCU的許多通信和控制接口在惡劣的汽車環(huán)境中免受損壞。靜電放電 （ESD） 和電壓瞬變帶來最大的風(fēng)險(xiǎn)。ESD二極管和聚合物ESD抑制器為通信線和控制線提供有效保護(hù)。

低電容器件是首選，以最大限度地減少信號失真并確保ZCU與其在區(qū)域控制架構(gòu)中管理的各種功能之間的可靠數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 板載電池充電器 （OBC）保護(hù)推薦組件

3   保護(hù)車載電池充電器（OBC）

板載電池充電器（OBC）（如圖 3）將交流線路電壓轉(zhuǎn)換為直流電，為電池組充電，通常工作電壓為 400–800V。隨著更高功率和更快的充電（包括三相交流電）成為常態(tài)，OBC 中的每個(gè)電路塊都需要保護(hù)組件，在某些情況下還需要控制元件以最大限度地提高效率。

除了常見的電動(dòng)車瞬變外，OBC 還需應(yīng)對交流電力線的風(fēng)險(xiǎn)，如過載和浪涌。與任何線路供電設(shè)備一樣，OBC需要防護(hù)這些危害，同時(shí)保護(hù)通信電路免受數(shù)據(jù)損壞，并最大限度地減少內(nèi)部電力損耗，以幫助縮短充電時(shí)間。

4   保護(hù)策略

第一道防線是保險(xiǎn)絲，它提供過載保護(hù)。選擇具有高中斷電流額定值和高額定電壓的保險(xiǎn)絲，以確保它們在最壞情況下能夠可靠地打開。為了防止浪涌瞬變或雷擊，金屬氧化物壓敏電阻（MOV） 應(yīng)盡可能靠近充電器的輸入端子放置。對于三相OBC，可以添加額外的MOV，以實(shí)現(xiàn)相間和相間瞬態(tài)保護(hù)。

為了進(jìn)一步降低下游電路的應(yīng)力，雙極保護(hù)晶閘管可以與 MOV串聯(lián)使用。晶閘管的低鉗位電壓和高浪涌電流容量允許使用具有較低隔離電壓的MOV，從而降低充電器內(nèi)部電路的峰值瞬態(tài)電壓。

為了獲得最高級別的安全性，還可以添加氣體放電管 （GDT）。GDT在交流線路和車輛底盤接地之間提供強(qiáng)大的電氣隔離，針對雷電干擾引起的快速上升瞬變提供卓越的保護(hù)。

剩余電流監(jiān)測器可檢測交流/ 直流泄漏或絕緣擊穿，型號能夠檢測低至 6mA的直流差分和10mA的交流差分。在整流器模塊中，晶流管使用具有高電流處理能力來提供所需的功率，同時(shí)安全地承受通過保護(hù)級和EMI濾波器級的浪涌電流瞬變。

功率因數(shù)校正電路通過降低總交流功耗來提高效率。對于電感調(diào)節(jié)，將柵極驅(qū)動(dòng)器與絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 配對。

選擇具有寬電壓范圍、強(qiáng)閂鎖抗擾度和快速開關(guān)速度的驅(qū)動(dòng)器，以最大限度地減少損耗。ESD保護(hù)也至關(guān)重要——通過內(nèi)置保護(hù)措施或額定瞬變高達(dá)30 kV的外部ESD二極管。

DC/DC電路可提高充電電壓并向電池提供電流。為了抵消 Ldi/dt 效應(yīng)，請?jiān)诩姌O和柵極之間使用TVS二極管保護(hù)功率IGBT。這種有源箝位方法可以穩(wěn)定IGBT，現(xiàn)在一些 IGBT 直接集成了此功能。

輸出電壓級可能需要防止電流過載和電壓瞬變，例如當(dāng)電機(jī)打開/ 關(guān)閉或電纜斷裂中斷電流時(shí)。雖然某些模塊包括內(nèi)置保護(hù)措施，但可能需要額外的保護(hù)：用于短路條件的保險(xiǎn)絲和用于瞬態(tài)抑制的 MOV 或 TVS 二極管。

最后，控制單元與ZCU 連接。為防止通信故障或數(shù)據(jù)損壞，請對其I/O 線路應(yīng)用ESD 和瞬態(tài)電壓保護(hù)。用于ZCU CAN 總線的相同ESD 二極管也適用于此。通過結(jié)合這些保護(hù)策略，工程師可以設(shè)計(jì)出在現(xiàn)實(shí)世界的電氣危險(xiǎn)下保持可靠和彈性的 OBC。圖3說明了推薦的組件。

圖4 牽引電機(jī)逆變器框圖

5   保護(hù)牽引電機(jī)逆變器

牽引電機(jī)逆變器將電池直流電轉(zhuǎn)換為交流電流以驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。該電路塊的運(yùn)行需要安全、高效和可靠的推進(jìn)。圖 4 顯示了牽引電機(jī)逆變器的電路塊，列出了推薦的保護(hù)、控制和傳感組件。

應(yīng)使用ESD二極管陣列保護(hù)CAN 收發(fā)器免受ESD沖擊。推薦用于ZCU CAN/CAN FD 電路的相同TVS二極管陣列適用于此。

柵極驅(qū)動(dòng)器電路控制IGBT或SiC MOSFET，管理開關(guān)以平衡效率和最小損耗。使用ESD二極管陣列保護(hù)驅(qū)動(dòng)器IC以吸收靜電沖擊。

逆變器模塊產(chǎn)生推進(jìn)力。為了確保一致運(yùn)行，需要保護(hù)功率晶體管免受過流、電壓尖峰和過熱的影響。熱保護(hù)器可以斷開電源電流，以防止結(jié)溫過高。使用 SiC MOSFET 時(shí)，在柵極和源極之間添加一個(gè)TVS二極管。

對于IGBT，在集電極和柵極之間放置一個(gè)TVS二極管來箝位電壓瞬變，這是一種經(jīng)過驗(yàn)證的有源箝位技術(shù)，用于保持器件穩(wěn)定性。

對于電機(jī)負(fù)載監(jiān)測，通常使用霍爾效應(yīng)傳感器。通過檢測載流線周圍的磁場，這些傳感器提供隔離電流測量，而不會增加電路的功率損耗。

6   可靠的ZCU和動(dòng)力總成運(yùn)行

隨著汽車制造商轉(zhuǎn)向區(qū)域控制架構(gòu)，確保ZCU、車載充電器和牽引逆變器的穩(wěn)健運(yùn)行對于安全性和效率至關(guān)重要。集成適當(dāng)?shù)倪^流、過壓、ESD和熱危害保護(hù)，可增強(qiáng)系統(tǒng)在苛刻的汽車條件下的耐用性。與組件制造商的應(yīng)用工程師（例如 Littelfuse 的應(yīng)用工程師）合作可提供額外的好處，從優(yōu)化的組件選擇和經(jīng)濟(jì)高效的保護(hù)策略到更順暢的合規(guī)性測試和更快的認(rèn)證。

（本文來源于《EEPW》202512）