下一代汽车中现代计算架构的性能组件和保护

作者：James Colby

随着现代汽车的不断发展，其电气和电子(EE)架构必须进行调整，以有效管理日益增长的电力需求。传统分布式和基于域的控制系统在复杂性、大量布线和通信瓶颈等问题上举步维艰。分区控制架构通过将电子控制单元(ECU)整合到局部区域、优化功率分配、减少布线和提高系统可靠性来应对这些挑战。

本文探讨了向分区控制的过渡、分区控制对电源管理的影响，以及确保下一代汽车系统安全、可靠和高效运行的关键保护策略。

1更智能、更安全、更互联

现代电动汽车集成了先进的安全、便利和互联功能，因此对电子控制单元(ECU)的依赖越来越大。高端汽车使用的ECU超过150个，因此必须采用更高效、可扩展的控制架构。

汽车控制系统已从单层设计发展到多层设计，以管理日益复杂的ECU。

分布式架构：早期的系统，每个 ECU 直接与主控制器通信;

域架构：引入域控制器处理特定功能，减少主控制器的工作量;

区域架构：将ECU按物理区域分组，由区域控制器(ZCU)管理每个区域内的功能。

图1 汽车控制架构的演变

分区架构具有更快的车辆响应时间、模块化可扩展性、高速以太网通信和更低的布线复杂性，从而提高了安全性。然而，从分布式或基于域的系统转向更为集中的分区方法，也需要重新定义分布式电源管理策略。确保可靠的跨区配电，同时保持效率并防止电气危害，已成为设计中的一个重要考虑因素。

2利用分区控制提高电动汽车效率和可靠性

分区控制可优化电动汽车的电池管理、能量回收和动力总成效率。ZCU可调节热条件和传感器数据，同时确保在过流、过压和ESD危害等恶劣条件下的可靠性。牵引电机逆变器和车载充电机等关键动力总成组件也面临类似风险。以下章节概述了提高电路可靠性的保护策略。

保护ZCU

鉴于ZCU的关键作用，它必须坚固耐用，能够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害，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使用环境中的恶劣条件。

图2 ZCU框图

电源也会受到高瞬态电压的影响，特别是在电源中断时，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可以处理较高的抛负载能量，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使用环境中受到损坏，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害能量源。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。选择低电容元件以减少信号失真，使用静电放电保护解决方案，可确保在分区控制架构内的ZCU及其连接功能之间进行可靠的数据传输。

保护车载电池充电机(OBC)

车载电池充电机(图3)将交流线路电压转换为直流电压，为电池组充电，工作电压为400-800V。随着更快、更高功率的充电(包括三相电源)成为标准配置，每个电路模块都需要保护元件，有些还需要控制元件以提高效率。

除了电动汽车瞬变之外，OBC还面临过载和瞬变等交流电源线路风险。要像保护任何线路供电产品一样保护它，保护通信电路免受数据损坏，同时尽量减少内部功耗，以缩短充电时间。

图3 板载电池充电机框图

保护电路可拦截交流线路上的雷击和浪涌等瞬变。第一线保护是使用保险丝提供过载保护。为确保保险丝能在最坏的电流过载情况下断开，应使用额定分断电流大、额定电压高的保险丝。为防止瞬态浪涌或雷击，应尽可能在充电器的输入连接处安装MOV。MOV将吸收瞬态能量，防止其损坏下级电路。如果OBC使用三相电源，则应考虑添加MOV以提供差模瞬态保护和共模瞬态保护。

为了更好地保护下游电路，可将双极晶闸管与MOV串联。保护晶闸管具有极低的箝位电压和较高的浪涌电流能力。使用晶闸管可以选择具有较低箝位电压的MOV，这样做的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)是第四个保护元件，可提供卓越的电路保护。它在火线和中性线与车辆底盘接地之间提供了高度电气隔离，为防止雷电干扰引起的快速瞬变提供了额外保护。剩余电流监视器可检测交流/直流泄漏电流或绝缘击穿电流，其感应直流差为6mA，交流差为10mA。

整流器模块应使用具有高电流处理能力的晶闸管，以提供必要的电源，并安全地承受通过保护和EMI滤波器级的浪涌瞬态电流。

功率因数校正电路通过降低总交流功耗来提高效率。为调节电感，应使用栅极驱动器和绝缘栅双极晶体管(IGBT)，选择具有合适电压范围、高抗闩锁效应和快速开关时间的驱动器，以尽量减少功率损耗。使用能承受高达30kV瞬态电压的内置或外置ESD二极管确保ESD保护。

DC/DC电路可提升充电电压并为电池产生电流。为减轻Ldi/dt的影响，应在集电极和栅极之间放置一个TVS二极管，以保护功率IGBT免受瞬态电压的影响。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。某些IGBT内置有源箝位TVS二极管。

当电机接通或断开时，或当电流因电缆断裂而瞬间中断时，输出电压级可能需要提供电流过载保护和车内瞬态电压保护。有时，由于其他模块也包含保护功能，因此此处无需保护。可以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。为避免通信电路模块受损和数据损坏，应对输入/输出线提供静电放电和瞬态电压保护。保护ZCU CAN总线的同类型ESD二极管可保护控制单元 I/O 线路。

通过实施这些保护策略，设计人员可以确保OBC具有强大的抗电危害能力。图3总结了推荐的组件。

保护牵引电机逆变器

牵引电机逆变器将电池直流电转换为交流电，以驱动牵引电机。该电路模块的运行需要安全、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

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 。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 。

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SiC 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。这和保护OBC电路中的IGBT一样， 提供了一种主动箝位技术。

监测电机负载电流可显示电机的状态。监测电流的常见选择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。

3确保可靠的ZCU和动力总成性能

随着汽车架构向分区控制转变，确保ZCU、车载充电机和牵引电机逆变器的可靠性对于安全和效率至关重要。适当的过流、过压和热保护元件可提高在恶劣环境中的耐用性。与电子元件制造商的应用工程专家(如Littelfuse团队)合作，就高性价比的保护、控制和传感解决方案提出宝贵建议，有助于简化开发流程，同时通过预合规性测试帮助符合汽车标准，减少认证延误。

关于作者：James Colby是Littelfuse公司业务开发高级经理。目前工作点包括开发战略性电动交通市场，以及向该市场推出新产品和解决方案。James Colby拥有南伊利诺伊大学(卡本代尔)电气工程学士学位和凯勒管理研究生院(沙姆堡)工商管理硕士学位。在Littelfuse工作超过25年，在电子行业工作近35年。