Защита критически важных бортовых цепей зарядки электромобилей следующего поколения

Рисунок 1

Разработка схем для следующего поколения автомобильных инноваций является чрезвычайно сложной задачей. Новые конструкции автомобилей включают в себя множество сложных микропроцессорных схем, а также новейшие технологии бортовой зарядки электромобилей. Чтобы современные новые конструкции были прочными, безопасными и могли выдерживать перегрузки, переходные процессы и электростатический разряд, разработчики электроники должны быть уверены, что в их схемах есть компоненты, необходимые для предотвращения этого повреждения. В этом техническом документе рассматриваются семь критически важных бортовых цепей зарядки и даются рекомендации как по защите цепей, так и по эффективному управлению питанием.

Обзор основных схем электромобиля показан на Рисунке 1 выше. На этой схеме изображен гибридный автомобиль, который включает двигатель внутреннего сгорания и электрический привод. Гибридные автомобили представляют собой наихудший сценарий для инженеров-электронщиков, которым необходимо разработать схемы, достаточно надежные, чтобы выдерживать переходные процессы, которые могут создаваться как двигателем внутреннего сгорания, так и мощными электродвигателями.

Помимо защиты этих цепей от переходных процессов, присущих электромобилям, бортовое зарядное устройство также должно работать с линией питания переменного тока, которая может создавать как переходные процессы, так и перегрузки. Цепи бортового зарядного устройства должны быть защищены так же, как инженер-конструктор защитит любое изделие с питанием от сети. Цепи связи также должны быть должным образом защищены, чтобы процессоры выдерживали любые переходные процессы электростатического разряда и чтобы избежать повреждения данных. Кроме того, инженеры захотят спроектировать эту схему так, чтобы минимизировать внутреннее энергопотребление, что поможет сократить время зарядки аккумулятора до минимума.

Встроенные зарядные устройства преобразуют сетевое напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, необходимое для зарядки основного аккумуляторного блока. Аккумулятор может иметь полностью заряженное напряжение в диапазоне 300–500 вольт. Сегодняшние потребители электромобилей хотят более быстрой зарядки. В результате необходимы более мощные зарядные цепи, включающие трехфазное питание. Пример блок-схемы бортового зарядного устройства с однофазной цепью показан на рисунке 2. Каждый блок схемы определяет рекомендуемые компоненты защиты и, при необходимости, компоненты управления, которые оптимизируют эффективность зарядного устройства.

Рисунок 2. Блок-Схема Бортового Зарядного Устройства.

1 . Входное
напряжение Секция входного напряжения чувствительна к переходным процессам, включая удары молнии и скачки напряжения в сети переменного тока. Предохранитель, обеспечивающий защиту от перегрузки, — это первая линия защиты. Рассмотрите предохранители с высоким номинальным током отключения и высоким номинальным напряжением; это гарантирует срабатывание предохранителя при максимальной токовой перегрузке. Поместите металлооксидный варистор (MOV) сразу после предохранителя, чтобы защитить его от импульсных перенапряжений или удара молнии. MOV поглощают переходную энергию и помогают предотвратить ее повреждение других цепей, находящихся дальше по потоку. Если бортовое зарядное устройство использует трехфазное питание, рассмотрите возможность добавления MOV как для защиты от переходных процессов между фазами, так и для защиты от переходных процессов между фазой и нейтралью.

Для еще большей защиты нижестоящих цепей разместите биполярный тиристор последовательно с MOV. Тиристоры имеют очень низкое напряжение ограничения, обычно около 5 В. Использование тиристора также позволяет разработчику выбрать MOV с более низким напряжением отключения. Чистым эффектом этой комбинации является снижение пикового переходного напряжения, которому на мгновение подвергаются схемы нижнего каскада.

Газоразрядная трубка (GDT) обеспечивает четвертый уровень превосходной защиты цепи. GDT обеспечивает электрическую изоляцию с высоким сопротивлением между горячими и нейтральными линиями и землей шасси автомобиля. GDT обеспечивают дополнительный уровень защиты от быстрорастущих переходных процессов от грозовых помех.


2.Разработчики схем выпрямителя могут выбрать тиристоры выпрямительного блока с достаточной пропускной способностью по току, чтобы обеспечить необходимую мощность для быстрой и мощной зарядки. Использование этой технологии (над выпрямительными диодами) обеспечивает более «мягкий» пуск (более низкий пусковой ток) и снижает электрическую нагрузку на блок коррекции коэффициента мощности. Тиристоры также безопасно поглощают импульсные токи переходных процессов, которые могли пройти через ступени входного напряжения и фильтра электромагнитных помех.

3. Коррекция коэффициента мощности
Эффективность заряда повышается за счет схемы коррекции коэффициента мощности, которая снижает общую мощность, потребляемую из линии питания переменного тока. Используйте драйвер затвора и биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) для управления величиной индуктивности в цепи. Обязательно выберите драйвер затвора с достаточным диапазоном рабочего напряжения для управления IGBT. Также рассмотрите возможность выбора драйвера затвора с высокой устойчивостью к защелкиванию и с быстрым временем нарастания и спада для быстрого переключения IGBT. Быстрое время нарастания и спада в сочетании с низким потребляемым током повышает энергоэффективность схемы. Обязательно защитите драйвер затвора от электростатического разряда, выбрав драйвер затвора со встроенной защитой от электростатического разряда или добавив внешний диод электростатического разряда. Двунаправленные или однонаправленные диоды ESD могут выдерживать переходные процессы до 30 кВ. 


4. Линия постоянного тока. Линия постоянного тока состоит из конденсаторной батареи, которая стабилизирует пульсации, генерируемые мощным преобразователем постоянного тока в постоянный. Инженеры-конструкторы, обеспокоенные большими переходными процессами напряжения, достигающими звена постоянного тока, могут использовать высоковольтный TVS-диод для защиты конденсаторной батареи.

5. Преобразователь
постоянного / постоянного тока Секция постоянного / постоянного тока увеличивает выходное напряжение заряда и генерирует ток заряда для аккумулятора. Подобно схеме коррекции коэффициента мощности, преобразователь постоянного / постоянного тока требует надежного драйвера затвора. Если выбранный драйвер затвора не включает внутреннюю защиту от электростатического разряда, обязательно добавьте антистатический диод для защиты драйвера затвора. Добавление внешнего диода ESD не ухудшает работу драйвера затвора.

Важно убедиться, что силовые IGBT защищены от скачков напряжения. Помимо защиты от внешних переходных процессов, IGBT создает переходные процессы при выключении из-за эффектов L · di / dt от внутренней паразитной индуктивности. Поместите TVS-диод между коллектором и затвором каждого IGBT, чтобы исключить потенциальное повреждение IGBT из-за этого переходного процесса. TVS-диод уменьшает di / dt переходного тока за счет увеличения напряжения затвора. Когда напряжение коллектор-эмиттер превышает напряжение пробоя TVS-диода, ток течет через TVS-диод в затвор, повышая его потенциал. TVS-диод продолжает работать до тех пор, пока переходный процесс не будет устранен. Известен как активный зажимиспользование TVS-диода в качестве элемента обратной связи коллектор-затвор поддерживает стабильное состояние IGBT. Некоторые БТИЗ имеют встроенные активные ограничивающие TVS-диоды. Выберите либо этот тип IGBT, либо добавьте в схему TVS-диоды. Для получения дополнительной информации об активном зажиме см. Указания по применению. 1

6. Выходное напряжение
Перегрузки по току и переходные процессы напряжения в автомобиле могут возникать при включении и выключении двигателей или когда ток мгновенно прерывается из-за обрыва кабеля. По этой причине ступень выходного напряжения требует надежной защиты. Рассмотрите возможность использования предохранителя для защиты от перегрузки по току в результате короткого замыкания в аккумуляторной батарее или в кабелях, по которым подается напряжение аккумуляторной батареи. MOV или TVS-диод защищает от любых потенциально опасных скачков напряжения.

7. Блок управления

Блок управления зарядного устройства связывается с сетью передачи данных через шину CAN. Во избежание повреждения цепей связи и повреждения данных обязательно обеспечьте защиту от электростатического разряда и переходных процессов. Эта защита может быть реализована с помощью одного компактного компонента. Например, на рисунке 3 показана двухлинейная диодная матрица TVS, предназначенная для защиты сигнальных линий CAN-шины. Диодные матрицы TVS, предназначенные для защиты линий связи, имеют минимальную емкость и не ухудшают состояния входов / выходов передатчика / приемника.  

Рисунок 3. Матрица TVS-Диодов Для Защиты Линий CAN-Шины.

Следуя этим рекомендациям по защите и контролю, инженеры-конструкторы могут быть уверены, что их новые бортовые системы зарядки будут иметь прочные, надежные и безопасные цепи для потребителей электромобилей. По возможности не забывайте использовать компоненты, соответствующие требованиям AEC-Q, которые были сертифицированы для использования в опасных автомобильных средах (например, AEC-Q101 охватывает дискретные полупроводники, а AEC-Q200 — пассивные компоненты, такие как варисторы). Важно помнить, что вы также можете воспользоваться опытом производителей и обширными прикладными знаниями для помощи при выборе подходящих компонентов защиты и управления питанием.

Для более подробной информации или заказа, Вы можете связаться с нами.