安森美：eFuse在汽车域控制器架构中如何提供更智能的保护

发布时间：2023-10-31 09:22
作者：AMEYA360
来源：安森美
阅读量：1373

　　汽车应用的电气化和自动化趋势推动了域控制器的兴起，用以减轻线缆重量并将车辆架构简化为多个局部化的电源中心。设计人员可以利用这种新兴架构，将传统保险丝和机械继电器替换为更紧凑的电子保险丝 (eFuse)，以提供更先进的保护功能，包括故障情况下更快速、更准确的响应。eFuse 将保护和开关功能集成到单个小尺寸封装中。

　　eFuse 是局部配电方案的重要组成部分，可为车辆的电子控制单元 (ECU) 等多个负载点提供关键的智能保护，如图 1 所示。这些 eFuse 负责保护整个车辆的传感器(距离传感器、温度传感器等)、摄像头、低压电机(用于汽车座椅、车窗控制)及前大灯和尾灯免受过流事件的影响。

安森美：eFuse在汽车域控制器架构中如何提供更智能的保护

　　设计人员面临的另一个挑战是印刷电路板 (PCB) 被限制在极小面积下，实现每个 ECU 网络内驱动多个独立(阻性、容性和感性)负载。每个 ECU 负载可能有不同的电流和电压范围要求，导致设计人员不得不使用多种 eFuse 型号。此外，根据严格的汽车要求规定，eFuse 必须能够承受接地短路事件，同时确保电源，和其他下游负载不受此类瞬变的影响。

　　安森美 (onsemi) 的新型 NIV3071 eFuse具有 8V 至 60V 工作输入电压范围，在紧凑的 5x6mm 封装中集成了 4 个独立通道，可以同时驱动多个并联负载。每个独立通道可支持 2.5A 连续电流，4 个通道并联时可支持 10A 连续电流。NIV3071 支持各种负载，包括阻性负载、感性负载和容性负载。NIV3071 可驱动大的容性负载，经测试在 Vin = 52 V、60ms 爬坡时间、Iout = 866mA、Ta = 25°C 时支持高达 1mF 容性充电。宽工作输入电压范围使 NIV3071 非常适合 12V 和 48V 汽车应用。

　　此外，汽车设计人员可利用 NIV3071 的灵活性以多种配置驱动各种负载，如图 2 所示。4 个独立通道可以工作在允许范围内的任意大小的不同电压下(通常为 12V、24V、36V 和 48V，但不限于此)，如配置 A 所示。该器件也可以连接单个电源，即所有输入连接在一起(例如 48 V)来驱动 4 个不同的下游负载，如配置 B 所示。配置 C 显示了 NIV3071 并联4个通道驱动高达 10A 的连续电流，而配置 D 突出显示了 eFuse 驱动 2 个负载，每个负载最高可达 5 A。

安森美：eFuse在汽车域控制器架构中如何提供更智能的保护

　　NIV3071 有助于实现稳健的设计，其能够承受输入电压 ≤60 V 的接地短路事件而不损坏，即使输入和输出上的线束电感高达 5 uH，也无需输出肖特基二极管的保护，如图 3 所示。NIV3071 还支持各种负载的运行，包括 25°C 时为高达 1 mF 的容性负载充电。

安森美：eFuse在汽车域控制器架构中如何提供更智能的保护

　　NIV3071 eFuse 的性能优于传统保险丝和正温度系数保险丝 (PTC)。在短路事件中，eFuse 可确保下游负载在故障情况下始终受到保护。图 4 展示了 NIV3071 的快速响应时间，它能够最大限度地减少电流尖峰，同时确保连接到同一电源的所有其他电路具有稳定的供电 (VCC)。

　　总之，eFuse 是域控制器架构的关键要素，可确保整个车辆的局部 ECU 受到保护且稳健可靠。凭借宽工作电压范围和同时驱动多个并联负载的能力，NIV3071 可以在驱动多个下游负载的同时最大限度地减少保护方案所需的 PCB 面积。NIV3071 提供稳健的域控制设计，无需额外的分立保护电路，它就能承受eFuse通路上连接线束电感达到5uH并且工作电压高达 60V条件下的接地短路事件，与之类似的工业版本 NIS3071 也已推出。

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安森美：OBC设计不断升级，揭秘如何适应更高功率等级和电压
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　　消费者需求不断攀升，电动汽车(EV)必须延长续航里程，方可与传统的内燃机(ICE)汽车相媲美。解决这个问题主要有两种方法：在不显著增加电池尺寸或重量的情况下提升电池容量，或提高主驱逆变器等关键高功率器件的运行能效。为应对电子元件导通损耗和开关损耗造成的巨大功率损耗，汽车制造商正在通过提高电池电压来增加车辆的续航里程。　　由此，800 V 电池架构越来越普及，并可能最终取代目前的400 V 技术。然而，电池容量越大，所需的充电时间就越长，这正是车主的另一个顾虑，意味着若在抵达目的地前需中途充电，将要等待很长时间。　　因此，就像需要提高电池电压一样，汽车整车厂商也必须跟上电动汽车车载充电器(OBC)的发展步伐，而首先要考虑的是必须支持800 V 电池架构和处理更高的电压。为此，现行的标准650 V 额定芯片元件需过渡到额定电压最高达1200 V 的芯片元件。此外，为加快电池充电速率，对更高额定功率OBC的需求也在日益增长。　　消费者迫切需要更出色的性能　　OBC能够将交流电转换为直流电，因而可以让汽车利用电网等交流电源进行充电。充电站的输出峰值会明显限制充电速度，同样的，OBC的峰值功率处理能力也是充电速度的一大影响因素。　　在目前的充电基础设施中，充电桩分为三个等级：　　1 级的最大功率为 3.6 kW　　2 级的功率为 3.6 kW 到大约 22 kW ，与 OBC 的最大容量相当　　3 级提供直流电，无需使用 OBC，功率为 50 kW 到 350+ kW　　尽管速度较快的3级直流充电站已投入使用，但其在全球范围内分布有限，因此OBC仍然不可或缺。此外，许多企业正尽可能提高现有2级充电基础设施的性能并促进更高电压电池技术的采用，市场对更高能效OBC的需求预计仍将持续增长。　　表1：OBC的不同功率等级及其对80 kWh 电池充电时间的影响　　表1列举了常见的OBC功率等级及大致充电时间。为加快充电速度、满足消费者需求，行业已开始转向更强大的三相OBC。然而，电动汽车的实际充电时间取决于多个因素。　　首先我们需要明确一点，充电并不是一个线性过程。当电池接近满容量(通常超过80%)时，充电速度会减慢，以保护电池健康。简单来说，电池电量越满，接受电能的速度就越慢。电动汽车通常不是满电状态，许多电动汽车制造商通常也不建议频繁待电量耗至0%再充满至100%，而是只需充一部分(例如最高充到80%)，这样可显著缩短充电时间。此外，电气化趋势正逐渐延伸到公共汽车、货车、重型车辆和农业用车等各种车辆类型甚至是船舶，OBC还将继续发展，目标是实现22 kW 以上更高功率等级。　　汽车整车厂商可以通过构建更强大的OBC来提高2级充电站的充电速度，但这需要利用经济高效且性能可靠的电子元件，来实现更高的电压(800 V，而非400 V)和更高的功率等级。　　更高性能OBC的关键设计考虑因素　　对于更高性能的OBC，除了额定功率和电池电压之外，还有许多因素需要考虑。其中包括散热管理、封装限制、器件成本、电磁兼容性(EMC)以及对双向充电的潜在需求。　　谈到散热管理，很容易想到增加OBC的尺寸和重量。然而，这种简单的方案并不理想，因为电动汽车的空间有限，难以容纳过于庞大OBC，而且重量增加也会导致缩短车辆的续航里程。　　800 V 电池架构可以带来诸多益处，例如减少导通损耗、提高性能、加快充电和电力输送速度等，但也为设计师带来了许多复杂难题：　　器件供应：寻找适合 800 V 安全运转的器件可能会很困难。　　降额以确保可靠性：即使是合格的器件也可能需要降额，也就是以低于最大容量的功率运转，以确保长期可靠性。　　安全问题：更高电压的系统需要强大的绝缘和安全功能。　　测试和验证：验证高电压系统更为复杂，可能需要专门的设备和专业知识。　　为此，需要用到击穿电压更高的元件，对于MOSFET而言尤其如此。事实证明，在需要更快MOSFET开关的更高电压应用(例如OBC)中，改用高性能碳化硅(SiC)元件将大有裨益。开发PCB布局时，考虑电压等级也至关重要，因为可能需要相应地扩大元件间距和PCB走线之间的距离。同样，暴露于更高电压的其他器件(例如连接器、变压器、电容)也需要更高的额定值。　　改进OBC设计，提升性能和功能　　安森美(onsemi)是一家值得信赖的高功率汽车应用功率模块供应商，可以为向800 V 电池系统过渡提供强大支持。安森美先进的EliteSiC 1200 V MOSFET和汽车功率模块(APM)能够实现更高的功率密度，在汽车设计领域一直深受认可。　　图2：EliteSiC 1200V MOSFET 采用TO247-4L封装，提供开尔文源极连接(第3根引线)，可消除栅极驱动环路内共源极寄生电感的影响　　APM32功率模块系列集成安森美先进的1200 V SiC 器件，针对800 V 电池架构进行了优化，更适用于高电压和功率级OBC。APM32系列包括用于功率因数校正(PFC)级的三相桥模块，例如采用1200 V 40 mΩ EliteSiC MOSFET(集成温度感测)的NVXK2VR40WDT2。该模块专为11 – 22 kW OBC 终端应用而设计。　　相较于分立方案，APM32模块技术具有多种优势，包括尺寸更小、散热设计更佳、杂散电感更低、内部键合电阻更低、电流能力更强、EMC性能更好、可靠性更高等，从而有助于创建高性能双向OBC(图3)。这不仅能够增强车辆OBC的功能，还能让电动汽车充当移动的电池储能器。　　　图3的OBC功率级示例中包含升压型三相PFC和双向CLLC全桥转换器，用于提供必要的功率和电压处理及先进的双向充电功能。　　在全球各地逐渐转向太阳能和风能等可持续能源之际，电网的电力供应有时可能供不应求。充满电的电动汽车能够作为重要的储能资源，用来支援电网的峰值需求，或者在建筑物主要电源受损的紧急情况下使用。利用安森美APM32等模块，OBC可以实现电动汽车电池的双向能量传输。由此，电池存储的能量可以短暂地为房屋供电，之后还能随时充电。　　可靠的设计和供应　　与一些将封装技术外包的竞争对手不同，安森美的APM系列均在内部设计和制造，因而能够更好地掌控散热优化。此外，安森美为制造商提供了一系列封装和制造选项，包括裸片、分立元件或模块，从而确保有合适的方案支持任何先进的OBC设计。　　结论　　OBC技术正蓬勃发展，不仅能帮助汽车制造商满足消费者对电动汽车的需求，还能有效应对800 V 电池架构等新技术趋势。利用安森美系统方案(例如APM32功率模块)，汽车设计人员可以简化流程并有效满足新需求，从而在大量减少设计工作的同时，确保更高的质量、可靠性和供应链一致性。　　此外，安森美还提供广泛的技术支持、仿真及其他电源方案，其中包含EliteSiC 1200 V M1和M3SMOSFET、EliteSiC 1200V D1和D3二极管，以及电隔离栅极驱动器、CAN收发器和可复位保险丝等配套器件，旨在助力实现全面、高性能的OBC设计。
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