Microchip Technology Inc.
Avtor: Ehab Tarmoom, tehnični inženir za uporabo v poslovni enoti za silicijev karbid podjetja Microchip Technology
Električna vozila s 400-voltnimi baterijskimi sistemi so bila predstavljena pred več kot desetletjem, zdaj pa se industrija seli na 800-voltne sisteme, predvsem za podporo hitremu polnjenju z enosmerno napetostjo.
S povečano napetostjo in izkušnjami, pridobljenimi pri 400V sistemih, se načrtovalci zdaj osredotočajo na izboljšanje učinkovitosti visokonapetostnih zaščitnih vezij in izboljšanje zanesljivosti. Dosedanje rešitve z uporabo varovalke, kontaktorja ali releja se ponovno ocenjujejo za hitreje odzivne, robustnejše in zanesljivejše rešitve, kot so talilne varovalke in elektronske varovalke oziroma E-Fuse. Vodilna rešitev je elektronska varovalka, ki temelji na tehnologiji silicijevega karbida (SiC). SiC ponuja visoko delovno napetost, visoko delovno temperaturo, nizko upornost v prevodnem stanju, nizek slepi tok v izklopljenem stanju in odpornost na prenapetostne prehodne pojave. Polprevodniška zasnova E-Fuse varovalke odpravlja težave z zanesljivostjo, povezane z obloki, mehansko obrabo, preskakovanjem stika in zvarjenimi stiki. Okovje ekonomizerja za pogon tuljav kontaktorjev ni več potrebno. E-Fuse izboljša zmogljivost na ravni sistema s svojo nastavljivostjo, nadzorovanim vklopom in izklopom, vgrajeno diagnostiko in odpornostjo na visokonapetostne prehodne pojave.
Ponastavljiva zasnova odpravlja potrebo po servisu
Zaradi zasnove, ki v celoti temelji na SiC, ima E-Fuse neprimerljivo hitrejši odzivni čas na kratke stike, saj se odzove več stokrat hitreje kot talilna varovalka. Zaradi tega je E-Fuse naravno dopolnilo zaščitni rešitvi, ki temelji na talilnih varovalkah. Medtem ko talilna varovalka zagotavlja robustno in zanesljivo zaščito tokokroga, je ni mogoče ponastaviti. Gre za napravo za enkratno uporabo, podobno kot pirotehnično sredstvo v zračni blazini.
Talilna varovalka je vgrajena kot varnostni ukrep za izklop napajanja sistema v težkih razmerah. Ko se sproži, jo je treba zamenjati. Zamenjava komponente v visokonapetostnem sistemu ni tako preprosta kot v 12-voltnem sistemu. Pri sistemskih napetostih 400 V ali 800 V, ki močno presegajo 60-voltno mejo, ki jo avtomobilska industrija na splošno šteje za varno, lahko popravila varno opravljajo le usposobljeni serviserji. Na srečo je lahko elektronska varovalka kot spremljevalna rešitev na ravni sistema z nastavljivim profilom sprožitve bolj občutljiva na previsoke tokove kot talilna varovalka, kar zagotavlja, da se sproži prva in prepreči sprožitev talilne varovalke. Prednost E-Fuse varovalke v primerjavi z današnjimi rešitvami je, da jo je mogoče ponovno vzpostaviti, kar lastniku električnega vozila prihrani čas, stroške in glavobole, povezane s sprejemom vozila na servis.
Robustna zaščita DC vezij
Po drugi strani pa E-Fuse varno odklopi tokokroge enakomerne napetosti, ne da bi pri tem povzročil oblok. Ista vrsta induktivne energije, ki je odgovorna za nastanek obloka pri rešitvi, ki temelji na releju, je prisotna tudi v tokokrogu, zaščitenem z E-Fuse varovalko, zato mora E-Fuse rešitev to energijo absorbirati, ko prekine električni tok.
Glavna razlika je, da ima E-Fuse hiter odzivni čas, kar zmanjša vršni tok na red velikosti manj kot tradicionalna rešitev. Ker je induktivna energija sorazmerna s kvadratom toka, se z zmanjšanjem največjega kratkostičnega toka znatno zmanjša prepustna energija. To vodi tudi do manjše obremenitve napeljave in morebitnega okvarjenega bremena.
E-Fuse demonstracijska plošča z nastavljivim profilom izklopa
Microchipova pomožna demonstracijska plošča E-Fuse tehnologije, prikazana na sliki 1, je na voljo načrtovalcem, ki razvijajo avtomobilske visokonapetostne E-Fuse ali polprevodniške releje. Šest različic strojne opreme zagotavlja možnosti 400 V in 800 V ter tokovne vrednosti 10 A, 20 A in 30 A ter omogoča ocenjevanje enojnih ali vzporednih SiC MOSFET-ov z vrednostmi RDS(on) od 15 mΩ do 40 mΩ.
Krmilni in zaščitni tokokrogi E-Fuse se napajajo iz 12 V sistema. Opremljen je s komunikacijskim vmesnikom LIN in omogoča neposredno povezavo z 12 V akumulatorjem, prebujanje iz načina mirovanja prek dejavnosti LIN ali z izhodom izklopljenega akumulatorja nadzornega modula.
E-Fuse varovalka vključuje tri metode zaznavanja previsokega toka, ki zajemajo območje od rahlo previsokega toka do zelo visokega toka kratkega stika, kot je prikazano na krivulji časovno-tokovne karakteristike (TCC) na sliki 2.
Krivulja TCC opredeljuje obnašanje E-Fuse varovalke podobno obnašanju varovalke s počasnim odzivnim časom na majhne previsoke tokove in hitrim odzivom na velike previsoke tokove.
Lahko jo enostavno prilagodite za zaščito napeljave in bremen. Trije načini zaznavanja so enostavno nastavljivi prek programske opreme ali vmesnika LIN. Metoda zaznavanja v modri barvi na levi strani diagrama opisuje obnašanje izklopa z uporabo algoritma za ocenjevanje temperature spoja. Algoritem za oceno temperature spoja SiC MOSFET-a uporablja meritve toka, meritve temperature okolice, RDS(on) SiC MOSFET-a in termične značilnosti zasnove.
Odzivni čas se spreminja glede na velikost previsokega toka. Srednji odsek črte predstavlja metodo zaznavanja samo z merjenjem toka s fiksnim odzivnim časom. Skrajni desni odsek predstavlja metodo zaznavanja, ki temelji na strojni opremi, vendar jo je mogoče konfigurirati s programsko opremo. Pri tem se uporabljajo neodvisni periferni elementi PIC® MCU (CIP), zlasti komparator, fiksna referenčna napetost, digitalno-analogni pretvornik in nastavljive logične celice, ki so konfigurirane kot SR zapahi. To omogoča hitro širjenje signala do manj kot nekaj sto nanosekund, kar omogoča takojšnje zaznavanje kratkega stika in zaščito visokonapetostnega sistema.
Poleg funkcije varovalke lahko E-varovalka prevzame tudi funkcijo elektromehanskega releja. Tako kot so tuljava releja in njegovi visokonapetostni kontakti galvansko ločeni, tudi visokonapetostna elektronska varovalka vključuje izolacijsko pregrado med krmilnimi signali in visokonapetostnimi sponkami. Podobno kot rele, je tudi elektronska varovalka prilagodljiva, da se v sistem priključi kot visokonapetostni izhod, ki z visoko napetostjo iz baterije napaja breme, ali kot nizkonapetostni izhod, ki zagotavlja pot bremena do visokonapetostne baterije z negativnim povratkom, kot je prikazano na sliki 3.
Lastnosti pri visokih napetostih in kratkem stiku
Da bi resnično ocenili razliko v odzivnem času E-Fuse varovalke v primerjavi z običajnimi avtomobilskimi visokonapetostnimi varovalkami, je bila vsaka izpostavljena kratkemu stiku v podobnih preskusnih pogojih 450 V in približno 3 µH induktivnosti linije. Potek odziva je prikazan na sliki 4. Črna krivulja predstavlja tok, ki teče skozi preskušano visokonapetostno varovalko. V 30 µs tok doseže 3800 A, kar je mejna vrednost merilne opreme, in 50 µs pozneje raznese visokonapetostno varovalko. Na podlagi preskusnih parametrov je ocenjeno, da je največji tok presegel 6000 A. Vendar z E-Fuse varovalko, kot je prikazano v modri krivulji, tok pred izklopom doseže le 128 A. To je znatno zmanjšanje prepuščenega toka, kar zmanjšuje obremenitev napeljave in nadaljnjih bremen.
Načrtovalcem sistemov omogoča optimizacijo ožičenja glede na težo in stroške. V nekaterih primerih je majhen prepustni tok E-Fuse varovalke razlika med stanjem vleke, kjer napaka, ki povzroči visoko tokovno obremenitev, trajno poškoduje strojno opremo, in odpravljivo napako, ki omogoča samodejno ponastavitev sistema in nadaljnje upravljanje vozila s strani voznika.
Poleg samega električnega vozila ima od E-Fuse varovalke koristi tudi podporna infrastruktura, kot so hitre polnilne postaje za enosmerno napetost ali mikroomrežja, ki oskrbujejo polnilne postaje. Prednosti, ki jih ponuja E-Fuse, niso omejene na uporabo v avtomobilski industriji.
Aplikacije, ki uporabljajo varovalke in kontaktorje, imajo koristi od nekaterih obravnavanih tem in drugih prednosti, vključno z zaznavanjem toka v vozilu, ki omogoča nadaljnjo integracijo in optimizacijo na ravni sistema. Pri aplikacijah zunaj vozila se uporablja konfiguracija MOSFET SiC s skupnim virom in protismerno serijo, zato je morda potrebna večja tokovna zmogljivost, kot jo ponuja demonstracijski prikazovalnik. Na srečo se zasnova zlahka razširi in jo je mogoče prilagoditi za uporabo z napajalnimi SiC moduli, ki so na voljo v konfiguraciji s skupnim virom.
Ker se vse bolj osredotočamo na zmogljivost, varnost in zanesljivost, bo elektronska varovalka kot rešitev za zaščito tokokroga še naprej postajala najprimernejša metoda, tako kot smo v 12 V sistemu opazili prehod z varovalk in relejev na zaščitene polprevodnike in nedavno na nizkonapetostne elektronske varovalke.
Opomba: Ime in logotip Microchip sta registrirani blagovni znamki podjetja Microchip Technology Incorporated v ZDA in drugih državah. Vse druge blagovne znamke, ki so morda tu omenjene, so last njihovih podjetij.
