确保下一代汽车控制架构中的控制器和动力系统稳健可靠

随着设计人员将更多的安全、便利和连接功能融入到最新的汽车设计中，尤其是在电动汽车 (EV) 中，电子元件的含量正在不断增加。

作者: James Colby, Littelfuse, Inc.

电子控制单元 (ECU) 管理着汽车的每项功能，随着功能的增加，其数量也在不断增加。目前，高端汽车可包含多达150个ECU，它们对主控制系统的信息交流和响应至关重要。

汽车控制架构

汽车控制架构正从单层设计向多层设计发展，以应对将众多ECU集成到一个反应灵敏、可靠的系统中的复杂性。

分布式结构：指每个ECU直接与主控制器通信的早期系统;

域架构：随着车辆变得越来越复杂而出现，引入域控制器来管理特定功能并卸载主控制器的任务;

分区架构：在这一最新发展中，按物理区域对ECU进行分组，并使用先进的分区控制器 (ZCU) 管理这些区域内的所有功能，从而提高了效率、降低了布线复杂性并增强了可扩展性。

分区架构具有若干优势：

缩短车辆响应时间，提高安全性;

模块化、可扩展的区域添加或修改;

更快、更高效的以太网通信;

减少布线，降低复杂性。

图1: 展示了这些架构的演变过程

在电动汽车中，分区控制提高了效率和可扩展性。分区分布优化了动力系统的电池管理、能量回收和功率控制。分区控制单元还能监控和调节热条件和传感器数据，以最大限度地提高动力传动系统的性能。

由于ZCU已成为车辆运行不可或缺的一部分，因此其可靠性至关重要。ZCU的设计应能承受恶劣的汽车环境，包括过流、过压和静电放电 (ESD) 危险。除ZCU外，牵引电机逆变器和车载电池充电器等其他关键动力总成部件也面临类似的电气危险。下文将提供保护这些电路和提高其可靠性的建议。

保护分区控制单元

鉴于分区控制单元的关键作用，它应安全耐用，并能在恶劣条件下可靠运行。图2显示了典型ZCU的电路框图。本文将详细介绍如何保护这些电路免受电气危险，确保车辆的使用寿命和安全运行。图中还列出了保护单个ZCU电路的推荐组件。

ZCU需要保护，以防故障影响电源，如电源故障或负载电路故障导致的过流情况。快速响应保险丝或聚合物正温度系数自恢复保险丝都能提供必要的保护。符合AEC-Q200标准的一次性保险丝和自恢复保险丝可以承受汽车环境中的恶劣条件。

图2: ZCU框图和推荐的保护元件

电源也会受到高瞬态电压的影响，尤其是在电源中断时，抛负载会产生感应尖峰。瞬态电压抑制 (TVS) 二极管或金属氧化物压敏电阻 (MOV) 可以箝位瞬态电压，保护下游电路。MOV可以处理较高的负载转储能量，但TVS二极管对瞬态电压的响应速度更快，并能箝位到较低的电压。MOV和TVS二极管的型号都通过了AEC认证。

确保ZCU中的众多通信和控制接口不会在恶劣的汽车环境中受到损坏，对于车辆的安全运行至关重要。静电放电和瞬态电压是主要的危险能量源。ESD二极管和聚合物ESD抑制器可为通信数据线和控制线提供适当的保护。许多类型的此类元件具有低电容，可将信号失真降至最低。附录介绍了ESD保护解决方案的型号，这些解决方案可确保通过通信和控制端口进行可靠的数据传输，ZCU通过这些端口与其控制区内的功能和分区控制架构中的其他ZCU进行连接。

保护车载电池充电器

车载电池充电器 (图3) 将交流线路电压转换为直流电压，为主电池组充电。由于用户要求更快的充电速度，因此越来越需要更高功率的电路，包括三相电源。本例说明的是单相电路。每个电路框图都需要保护元件，其中两个电路框图需要功率元件来优化效率。

除了防止电动汽车环境中固有的瞬变，充电器还必须处理交流电源线路风险，如过载和瞬变。设计人员应像保护任何线路供电产品一样保护车载充电器，并保护通信电路以防止数据损坏。尽量减少内部功耗对于缩短电池充电时间也至关重要。

图3: 车载电池充电器框图和推荐组件

保护电路可拦截交流线路上的瞬变，如雷击和浪涌。火线保护是使用保险丝提供过载保护。设计人员应考虑使用高额定分断电流和高额定电压的保险丝，以确保保险丝在最恶劣的电流过载情况下也能断开。为防止瞬态浪涌或雷击，设计人员应在充电器输入连接处附近放置一个MOV。MOV将吸收瞬态能量，防止其损坏下级电路块。如果车载充电器使用三相电源，设计人员应考虑添加MOV，以提供差模瞬态保护和共模中性瞬态保护。

为了更好地保护下游电路，设计人员可以将双极晶闸管与MOV串联。保护晶闸管的箝位电压很低，而且可以有很高的保持电流。使用保护晶闸管的话，可以允许设计人员选择具有较低箝位电压的MOV。最终效果是降低了下级电路瞬间承受的峰值瞬态电压。

气体放电管 (GDT) 是可提供卓越的电路保护的第四个安全元件。它为共模保护提供了高电气隔离，为防止雷电干扰引起的快速瞬变提供了额外的保护。

剩余电流监控器可检测电源线或高压线与中性线之间的差值，以避免产生危险的交流或直流泄漏电流或绝缘击穿电流。各种型号的剩余电流监控器可检测6mA的直流电流差值和10mA的交流电流差值。

为实现快速、大功率充电，设计人员应为整流器模块选择具有足够电流处理能力的晶闸管，以提供所需的功率。晶闸管还能安全地承受通过保护元件和EMI滤波器级的高浪涌瞬态电流。

功率因数校正电路通过降低交流电源线路的总功率来提高充电器的效率。 设计人员可以使用栅极驱动器和绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 来控制电路中的电感量。设计人员应选择具有足够工作电压范围的栅极驱动器来控制IGBT。设计人员应选择工作电压范围足够大的栅极驱动器来控制IGBT。设计人员还应考虑选择抗闩锁能力强、上升和下降时间快的栅极驱动器，以便快速切换IGBT。快速上升和下降时间与栅极驱动器的低电源电流相结合，可最大限度地降低该电路模块的功耗。栅极驱动器还需要ESD保护;设计人员应选择具有内置ESD保护功能的栅极驱动器，或添加一个外部ESD二极管。各种版本的ESD二极管可以是双向或单向的，可承受高达30kV的ESD瞬态电压。

DC/DC电路提升输出充电电压，并为电池产生充电电流。设计人员还应确保功率IGBT不受瞬态电压的影响。除了外部瞬态保护外，IGBT还会因内部寄生电感的Ldi/dt影响而产生关断开关瞬态。为了消除这种瞬态对IGBT造成的潜在损坏，设计人员应在每个IGBT的集电极和栅极之间放置一个TVS二极管。TVS二极管通过提高栅极电压来降低瞬态电流的di/dt。当集电极-发射极电压超过 TVS二极管的击穿电压时，电流会通过TVS二极管流入栅极，以提高其电位。TVS二极管继续导通，直至瞬态消除。使用TVS二极管作为集电极-栅极反馈元件被称为有源箝位，这种方法可保持IGBT的稳定。有关有源箝位的更多信息，请参阅参考应用说明2。有些IGBT具有内置的有源箝位TVS二极管，设计人员应选择这种IGBT类型或在电路中添加TVS二极管。

输出电压级可能需要在电机开关或电缆断开瞬间中断电流时提供电流过载和车内瞬态电压保护。在某些情况下，由于其他模块包含了保护功能，因此此处无需保护。设计人员应考虑使用保险丝来保护因电池组或传输电池电压的电线短路而导致的过流。使用MOV或TVS二极管可防止潜在的破坏性瞬态电压。

充电器的控制单元与ZCU通信。为避免通信电路块受损和数据损坏，设计人员应在输入/输出线路上提供静电放电和瞬态电压保护。保护ZCU CAN总线的同类型ESD二极管也能保护控制单元I/O线路。

推荐使用的元件将使充电器能够抵御电气危险。图3中的表格概述了充电器电路的推荐元件。

保护牵引电机逆变器

牵引电机逆变器将蓄电池直流电转换为交流电，以驱动牵引电机。该电路块的运行需要安全、高效和可靠的推进力。 图4显示了牵引电机逆变器的电路模块，表中列出了推荐的保护、控制和传感元件。

图4: 牵引电机逆变器框图和推荐组件

与ZCU电路中的电源一样，牵引逆变器电路中的电源也需要过流和瞬态电压保护。保险丝和TVS二极管可提供必要的保护。

CAN收发器需要一个ESD二极管阵列来防止ESD放电冲击。为ZCU中的CAN/CAN FD电路推荐的TVS二极管阵列同样可以保护该电路。

栅极驱动器电路控制功率晶体管。栅极驱动器集成电路控制IGBT和SiC MOSFET等功率晶体管的开关，以最大限度地减少功率损耗和提高效率。保护栅极驱动器集成电路需要使用ESD二极管阵列来安全吸收ESD撞击。

逆变器模块为推进电机提供动力驱动。为确保逆变器可靠运行，需要对功率晶体管进行过流、电压瞬变和热保护。为防止功率晶体管在危险的高温下工作，需要使用热保护器等装置，中断功率晶体管电路的供电电流。

使用碳化硅MOSFET时，MOSFET栅极和源极之间的TVS二极管可保护MOSFET免受瞬态电压的影响。对于IGBT，集电极和栅极之间的TVS二极管可防止集电极电压瞬态上升对IGBT造成损坏。TVS二极管将集电极-栅极电压箝位到IGBT的安全水平。这种方法是保护车载电池充电器电路中IGBT的有源箝位技术。

监测电机负载电流可显示电机的健康状况。监测电流的常用方法是使用霍尔效应技术的电流传感器，该技术利用磁性检测来感应负载电流。负载电流线穿过霍尔效应传感器的开孔或其下方，可对电机电流进行隔离监控，而不会增加电路的功率损耗。

这些元件将确保牵引电机逆变器电路的保护、传感和有效控制。图4中的表格提供了元件建议。

实现可靠的ZCU和动力总成电路的可用资源

随着汽车控制架构向分区控制过渡，ZCU、车载充电器和牵引电机逆变器的可靠运行对于实现分区设计的安全和效率优势至关重要。推荐使用的过流、过压和温度保护元件可确保在恶劣的汽车环境中保持稳定的性能。

与Littelfuse这样的电路保护专家合作，可帮助设计人员节省开发时间和成本。Littelfuse的应用工程师会就高性价比、高效的保护、控制和传感元件提出建议，同时协助符合汽车标准。这种支持包括合规前测试，以简化认证流程，避免标准组织的延误。凭借Littelfuse的专业技术，设计人员可以自信地设计出可靠、强大的汽车电子产品。