Традиционные решения, основанные на предохранителях, контакторах или реле, пересматриваются в пользу более быстродействующих, надежных и долговечных решений, таких как пиропредохранители и электронные предохранители (E-Fuse). Одним из ведущих решений является E-Fuse, созданный на основе технологии карбида кремния (SiC). SiC обеспечивает высокое рабочее напряжение, высокую рабочую температуру, низкое сопротивление в открытом состоянии, низкий ток утечки в закрытом состоянии и устойчивость к перенапряжениям. Твердотельная конструкция E-Fuse исключает проблемы надежности, связанные с искрением, механическим износом, дребезгом контактов и точечной сваркой. Для управления катушками контактора больше не требуется экономизационное оборудование. E-Fuse повышает производительность системы благодаря возможности настройки, контролируемому включению/выключению, встроенной диагностике и устойчивости к высоковольтным переходным процессам.

возможности сброса, конструкция исключает необходимость технического обслуживания.
Полностью основанный на SiC, E-Fuse обладает беспрецедентным временем отклика на короткие замыкания, реагируя в несколько сотен раз быстрее, чем даже катушка зажигания с предохранителем. Это делает E-Fuse естественным дополнением к системе защиты на основе катушки зажигания. Хотя катушка зажигания обеспечивает надежную защиту цепи, она не является восстанавливаемой. Это одноразовое устройство, как катушка зажигания в подушке безопасности.
Катушка зажигания используется в качестве меры безопасности для деактивации системы в критических ситуациях. После детонации её необходимо заменить. Замена компонента в высоковольтной системе не так проста, как в 12-вольтовой системе. При напряжении системы 400 В или 800 В, значительно превышающем 60 В, которые автомобильная промышленность обычно считает безопасными, ремонт может безопасно выполняться только квалифицированными специалистами. К счастью, благодаря настраиваемому профилю срабатывания, электронный предохранитель, как дополнительное решение на системном уровне, может быть более чувствителен к перегрузкам по току, чем пожарный предохранитель, гарантируя, что он сработает первым и предотвратит срабатывание пожарного предохранителя. Одним из преимуществ электронного предохранителя перед существующими решениями является возможность его сброса, что экономит владельцу электромобиля время, деньги и хлопоты, связанные с обращением в сервисный центр.

Надежная защита цепей постоянного тока.
Защита цепей в высоковольтных системах постоянного тока представляет собой уникальную задачу. В отличие от систем переменного тока, где переход через ноль помогает погасить дугу, в системах постоянного тока такого перехода через ноль нет. Для решения этой проблемы в высоковольтных реле и контакторах с вакуумным усилителем используются сложные дополнительные функции для безопасного гашения электрических дуг. Однако дуги все еще вызывают износ контактов и приводят к проблемам с надежностью, таким как высокое контактное сопротивление или точечная сварка. С другой стороны
, электронный предохранитель безопасно отключает цепи постоянного тока без образования дуги. Тот же тип индуктивной энергии, который отвечает за образование дуги в релейном решении, присутствует и в цепи, защищаемой электронным предохранителем, поэтому решение с электронным предохранителем должно поглощать эту энергию при прерывании тока.
Ключевое отличие заключается в том, что электронный предохранитель имеет быстрое время отклика, снижая пиковый ток на порядки ниже, чем у традиционного решения. Поскольку индуктивная энергия пропорциональна квадрату тока, уменьшение пикового тока короткого замыкания приводит к значительному уменьшению энергии ступенчатого воздействия. Это также означает более низкое напряжение на проводке и потенциальную нагрузку, возникающую при коротком замыкании.

Демонстрационный образец электронного предохранителя с настраиваемым профилем срабатывания.
Демонстрационный образец вспомогательной технологии электронного предохранителя Microchip, показанный на рисунке 1, доступен разработчикам высоковольтных электронных предохранителей для автомобильных или твердотельных реле. Шесть вариантов аппаратного обеспечения обеспечивают работу на 400 В и 800 В и номинальные токи 10 А, 20 А и 30 А, что позволяет оценивать работу одиночных или параллельных SiC MOSFET с сопротивлением RDS(on) от 15 мОм до 40 мОм.

Рисунок 1 - Демонстрационный образец вспомогательной технологии электронного предохранителя Microchip

Схемы управления и защиты электронного предохранителя питаются от 12-вольтовой системы. Оснащенный интерфейсом связи LIN, он поддерживает прямое подключение к 12-вольтовой батарее, выход из спящего режима через активность LIN или от коммутируемого выхода батареи модуля управления.
Электронный предохранитель использует три метода обнаружения перегрузки по току, от небольших перегрузок до очень высоких токов короткого замыкания, как показано на кривой зависимости тока от времени (TCC) на рисунке 2. Кривая TCC определяет поведение электронного предохранителя, характеризующееся медленным временем отклика на низкие перегрузки по току и быстрым откликом на высокие перегрузки по току.

Его можно легко настроить для защиты проводки и нагрузок. Все три метода обнаружения легко настраиваются программно или через интерфейс LIN. Самый левый метод обнаружения, показанный синим цветом, характеризует поведение срабатывания с помощью алгоритма оценки температуры перехода. Этот алгоритм использует измерение тока, измерение температуры окружающей среды, сопротивление RDS(on) SiC MOSFET и тепловые характеристики для оценки температуры перехода SiC MOSFET.
Время отклика изменяется в зависимости от величины перегрузки по току. Центральный отрезок линии представляет собой метод обнаружения, использующий только измерение тока с фиксированным временем отклика. Самый правый отрезок линии представляет собой аппаратный, хотя и программно настраиваемый, метод обнаружения. Этот метод использует независимые от ядра периферийные устройства (CIP) микроконтроллера PIC®, в частности, компаратор, фиксированный опорный источник напряжения, цифро-аналоговый преобразователь и конфигурируемые логические ячейки, сконфигурированные как SR-защелки. Это обеспечивает быстрое распространение сигнала менее чем за несколько сотен наносекунд, что позволяет немедленно обнаруживать короткое замыкание и защищать высоковольтную систему.

Рисунок 2 — Временная характеристика тока для предохранителя варианта E на 400 В, 20 А

Помимо своих функций, схожих с функциями предохранителя, электронный предохранитель (E-Fuse) может функционировать как электромеханическое реле. Подобно тому, как катушка реле и его высоковольтные контакты гальванически изолированы, высоковольтный электронный предохранитель также включает в себя изоляционный барьер между управляющими сигналами и высоковольтными клеммами. Как и реле, электронный предохранитель может быть подключен к системе как высоковольтный выход, подающий питание от положительного полюса высоковольтной батареи к нагрузке, или как низковольтный выход, обеспечивающий путь для нагрузки к отрицательному полюсу высоковольтной батареи, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3 — Системные конфигурации электронных предохранителей

Характеристики короткого замыкания при высоком напряжении.
Чтобы по-настоящему оценить разницу во времени отклика между электронным предохранителем (E-Fuse) и обычным автомобильным высоковольтным предохранителем, каждый из них был подвергнут короткому замыканию в аналогичных условиях испытаний: 450 В и индуктивность линии приблизительно 3 мкГн. Полученные осциллограммы показаны на рисунке 4. Черная осциллограмма представляет ток, протекающий через испытываемый высоковольтный предохранитель. За 30 мкс ток достигает 3800 А, что является пределом измерительного оборудования, и расплавляет высоковольтный предохранитель через 50 мкс. На основе параметров испытаний пиковый ток, по оценкам, превысил 6000 А. Однако с электронным предохранителем, как показано на синей осциллограмме, ток достигает всего 128 А до срабатывания. Это значительное снижение протекающего тока, минимизирующее нагрузку на проводку и последующие нагрузки.
Это дает разработчикам систем возможность оптимизировать проводку с точки зрения веса и стоимости. В некоторых случаях низкая пропускная способность электронного предохранителя по току может стать решающим фактором, определяющим разницу между ситуацией буксировки, когда неисправность, вызывающая скачок высокого напряжения, приводит к необратимому повреждению оборудования, и ситуацией, когда неисправность может быть устранена, что позволит системе автоматически перезагрузиться, и водитель сможет продолжить управление транспортным средством.

Рисунок 4 — Формы тока для электронного предохранителя в зависимости от напряжения высоковольтного предохранителя

Помимо самого электромобиля, преимущества электронных предохранителей (E-Fuse) могут быть использованы и в вспомогательной инфраструктуре, такой как станции быстрой зарядки постоянного тока или микросети, питающие эти станции. Преимущества E-Fuse не ограничиваются автомобильной промышленностью.
Приложения, использующие предохранители и контакторы, также выигрывают от некоторых из обсуждавшихся аспектов, а также от других преимуществ, таких как встроенное измерение тока, что обеспечивает более высокую интеграцию и оптимизацию на системном уровне. Внешние приложения используют конфигурацию SiC MOSFET с общим истоком и антипоследовательным соединением и могут потребовать большей токовой мощности, чем предлагает демонстрационный образец. К счастью, конструкция легко масштабируется и может быть адаптирована для использования с легкодоступными силовыми модулями SiC с общим истоком.
Поскольку все больше внимания уделяется производительности, безопасности и надежности, E-Fuse как решение для защиты цепей будет продолжать расти как предпочтительный метод, подобно тому, как мы наблюдали переход в 12-вольтовой системе от предохранителей и реле к защищенным твердотельным контроллерам и, совсем недавно, к низковольтным электронным предохранителям (E-Fuse).

АВТОР: Эхаб Тармум, инженер по техническому применению, подразделение карбида кремния, Microchip Technology 
+