电子产品世界

随着车辆的进步，其电气电子（ EE） 架构必须跟上步伐，以有效应对不断增长的电力需求。传统的分布式和基于域的控制系统面临着日益严峻的挑战，包括复杂性增加、布线过多和通信瓶颈。区域控制架构通过将电子控制单元（ECU）整合到局部区域、简化配电、减少布线要求并提高系统可靠性来提供解决方案。本文探讨了向区域控制的转变、其在电源管理中的作用，以及确保下一代汽车系统安全、高效运行所需的关键保护策略。

现代电动汽车集成了先进的安全、便利和连接功能，推动了对电子控制单元（ECU）依赖性的增加。随着高端车辆集成了150 多个ECU，对更高效、更易于扩展的控制架构的需求变得显而易见。汽车控制系统已经从单层设计发展到多层设计，以应对日益增长的ECU复杂性。

●   分布式架构：早期设计中，每个 ECU直接连接到主控制器。

●   领域架构：引入域控制器来监督特定功能，减轻主控制器的负担。

●   区域架构：按车辆的物理区域组织 ECU，区域控制器（ ZCU）管理每个区域内的作。

区域架构通过更快的响应时间提高安全性，支持模块化可扩展性，支持高速以太网通信，并降低布线复杂性。然而，从分布式或基于域的系统迁移到集中式区域模型也需要重新定义分布式电源管理方法。确保跨区域稳定的电力传输，同时保持效率并防止电气故障，已成为关键的设计优先事项。

图1 汽车架构的演变历程

1   通过区域控制提高电动汽车的效率和可靠性

区域控制通过改善电池管理、支持能量回收和提高动力总成效率来增强电动汽车性能。域控制器（ZCU）监控热条件和传感器数据，同时在可能涉及过流、过压和静电放电（ ESD） 风险的苛刻环境中保持可靠性。关键动力总成元件，包括牵引电机逆变器和车载电池充电器，也面临这些危险。以下各节重点介绍了提高电路鲁棒性的保护方法。

图2 ZCU框图

2   保护ZCU

作为每个区域内的中心枢纽，ZCU即使在恶劣的条件下也需要提供一致、可靠的运行。图 2显示了ZCU中常见电路的框图。本文讨论了这些电路的保护技术，以确保耐用性和安全车辆运行，以及推荐的保护组件。

ZCU需要针对电源故障进行保护，例如由电源侧或负载侧故障引起的过流事件。可以使用快速熔断器或聚合物正温度系数（ PPTC） 自恢复熔断器来实现保护。符合AEC-Q200标准的一次性和可复位保险丝均可承受汽车环境的严苛条件。

ZCU中的电源容易受到高压瞬变的影响，尤其是负载突降，当电源突然中断时会产生感应尖峰。为了保护下游电路，可以使用瞬态电压抑制（TVS）二极管或金属氧化物压敏电阻 （MOV）。虽然MOV可以吸收更高的负载突降能量， 但TVS二极管提供更快的响应和钳位到更低的电压。MOV和TVS二极管型号均具有AEC认证。

同样重要的是保护ZCU的许多通信和控制接口在恶劣的汽车环境中免受损坏。静电放电 （ESD） 和电压瞬变带来最大的风险。ESD二极管和聚合物ESD抑制器为通信线和控制线提供有效保护。

低电容器件是首选，以最大限度地减少信号失真并确保ZCU与其在区域控制架构中管理的各种功能之间的可靠数据传输。

图3 板载电池充电器 （OBC）保护推荐组件

3   保护车载电池充电器（OBC）

板载电池充电器（OBC）（如图 3）将交流线路电压转换为直流电，为电池组充电，通常工作电压为 400–800V。随着更高功率和更快的充电（包括三相交流电）成为常态，OBC 中的每个电路块都需要保护组件，在某些情况下还需要控制元件以最大限度地提高效率。

除了常见的电动车瞬变外，OBC 还需应对交流电力线的风险，如过载和浪涌。与任何线路供电设备一样，OBC需要防护这些危害，同时保护通信电路免受数据损坏，并最大限度地减少内部电力损耗，以帮助缩短充电时间。

4   保护策略

第一道防线是保险丝，它提供过载保护。选择具有高中断电流额定值和高额定电压的保险丝，以确保它们在最坏情况下能够可靠地打开。为了防止浪涌瞬变或雷击，金属氧化物压敏电阻（MOV） 应尽可能靠近充电器的输入端子放置。对于三相OBC，可以添加额外的MOV，以实现相间和相间瞬态保护。

为了进一步降低下游电路的应力，双极保护晶闸管可以与 MOV串联使用。晶闸管的低钳位电压和高浪涌电流容量允许使用具有较低隔离电压的MOV，从而降低充电器内部电路的峰值瞬态电压。

为了获得最高级别的安全性，还可以添加气体放电管 （GDT）。GDT在交流线路和车辆底盘接地之间提供强大的电气隔离，针对雷电干扰引起的快速上升瞬变提供卓越的保护。

剩余电流监测器可检测交流/ 直流泄漏或绝缘击穿，型号能够检测低至 6mA的直流差分和10mA的交流差分。在整流器模块中，晶流管使用具有高电流处理能力来提供所需的功率，同时安全地承受通过保护级和EMI滤波器级的浪涌电流瞬变。

功率因数校正电路通过降低总交流功耗来提高效率。对于电感调节，将栅极驱动器与绝缘栅双极晶体管 （IGBT） 配对。

选择具有宽电压范围、强闩锁抗扰度和快速开关速度的驱动器，以最大限度地减少损耗。ESD保护也至关重要——通过内置保护措施或额定瞬变高达30 kV的外部ESD二极管。

DC/DC电路可提高充电电压并向电池提供电流。为了抵消 Ldi/dt 效应，请在集电极和栅极之间使用TVS二极管保护功率IGBT。这种有源箝位方法可以稳定IGBT，现在一些 IGBT 直接集成了此功能。

输出电压级可能需要防止电流过载和电压瞬变，例如当电机打开/ 关闭或电缆断裂中断电流时。虽然某些模块包括内置保护措施，但可能需要额外的保护：用于短路条件的保险丝和用于瞬态抑制的 MOV 或 TVS 二极管。

最后，控制单元与ZCU 连接。为防止通信故障或数据损坏，请对其I/O 线路应用ESD 和瞬态电压保护。用于ZCU CAN 总线的相同ESD 二极管也适用于此。通过结合这些保护策略，工程师可以设计出在现实世界的电气危险下保持可靠和弹性的 OBC。图3说明了推荐的组件。

图4 牵引电机逆变器框图

5   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流以驱动牵引电机。该电路块的运行需要安全、高效和可靠的推进。图 4 显示了牵引电机逆变器的电路块，列出了推荐的保护、控制和传感组件。

应使用ESD二极管阵列保护CAN 收发器免受ESD冲击。推荐用于ZCU CAN/CAN FD 电路的相同TVS二极管阵列适用于此。

栅极驱动器电路控制IGBT或SiC MOSFET，管理开关以平衡效率和最小损耗。使用ESD二极管阵列保护驱动器IC以吸收静电冲击。

逆变器模块产生推进力。为了确保一致运行，需要保护功率晶体管免受过流、电压尖峰和过热的影响。热保护器可以断开电源电流，以防止结温过高。使用 SiC MOSFET 时，在栅极和源极之间添加一个TVS二极管。

对于IGBT，在集电极和栅极之间放置一个TVS二极管来箝位电压瞬变，这是一种经过验证的有源箝位技术，用于保持器件稳定性。

对于电机负载监测，通常使用霍尔效应传感器。通过检测载流线周围的磁场，这些传感器提供隔离电流测量，而不会增加电路的功率损耗。

6   可靠的ZCU和动力总成运行

随着汽车制造商转向区域控制架构，确保ZCU、车载充电器和牵引逆变器的稳健运行对于安全性和效率至关重要。集成适当的过流、过压、ESD和热危害保护，可增强系统在苛刻的汽车条件下的耐用性。与组件制造商的应用工程师（例如 Littelfuse 的应用工程师）合作可提供额外的好处，从优化的组件选择和经济高效的保护策略到更顺畅的合规性测试和更快的认证。

（本文来源于《EEPW》202512）

关键词： 202512 汽车先进计算架构 Littelfuse