作者：Michael Zimmermann, Littelfuse, Inc.

瞬態(tài)電壓和浪涌會帶來巨大風險，電動汽車（EV）車載充電系統(tǒng)需要強有力的保護

NTC熱敏電阻和MOV等傳統(tǒng)解決方案通常需要更長的響應(yīng)時間和更高的可靠性。本文將探討在嚴苛的汽車應(yīng)用環(huán)境中，SIDACtor+MOV組合如何為電動汽車車載充電器提供出色、經(jīng)濟、高效的保護解決方案，實現(xiàn)更快的響應(yīng)速度、更低的箝位電壓和更高的耐用性。

如今，元器件制造商提供多種用于保護電子電路的設(shè)備。由于車載充電器與電網(wǎng)相連，因此必須使用獨特的元件來防止電壓浪涌。

Littelfuse解決方案的重點體現(xiàn)在先進的過流和過壓保護技術(shù)，包括MOV（金屬氧化物壓敏電阻）、TVS（瞬態(tài)電壓抑制器）、GDT（氣體放電管）和SIDACtor保護晶閘管。設(shè)計工程師面臨的挑戰(zhàn)是如何優(yōu)化元件選擇和確定最佳技術(shù)組合，以實現(xiàn)最佳性價比。

一種獨特的解決方案是將SIDACtor和壓敏電阻（SMD或THT）結(jié)合在一起，在高浪涌脈沖條件下可以實現(xiàn)低箝位電壓。SIDACtor+MOV組合使汽車工程師能夠優(yōu)化設(shè)計中功率半導體的選擇，從而降低成本。這些部件需要將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，以便為車載電池充電。

圖1 車載充電器框圖 車載充電器（OBC）在電動汽車充電過程中可能會受到電網(wǎng)過壓情況的影響，因此，設(shè)計必須保護功率半導體免受過壓瞬變影響，以避免最大極限的電壓導致設(shè)備損壞。為了延長電動汽車的可靠性和使用壽命，工程師必須在設(shè)計中滿足不斷增加的浪涌電流要求和降低最大箝位電壓。 圖1顯示需要保護元件的電路和可采用高效元件的電路塊。下表列出了推薦的技術(shù)。 車載充電器潛在浪涌脈沖來自間接雷擊、負載切換和系統(tǒng)故障。想象一下，直接雷擊功率可以達到100kA，就可以理解規(guī)范中的高浪涌電流要求了。造成浪涌脈沖的其他根本原因可能是突然的負載切換和電力系統(tǒng)故障。 瞬態(tài)電壓浪涌的來源舉例如下：

電容性負載的切換

低壓系統(tǒng)和諧振電路的切換

施工、交通事故或暴風雨造成的短路

浪涌脈沖在并聯(lián)電纜上的耦合是電容性的；在導體環(huán)路上的耦合是電感性的；在近場中的耦合是發(fā)射性的。瞬態(tài)浪涌發(fā)生在電纜上（電源線、數(shù)據(jù)線或信號線），可以是對稱的（線對線），也可以是不對稱的（線對地）。了解耦合和傳播源對于解決應(yīng)用問題至關(guān)重要。 IEC-61000-4-5是浪涌抗擾度的相關(guān)標準。表1列出了最高4kV的浪涌電壓。2Ω發(fā)生器電阻可產(chǎn)生2kA的浪涌脈沖(1a)。IEEE C62.41.2-2002標準規(guī)定了6kV/3kA的浪涌額定值(1b)。如今，大多數(shù)與電網(wǎng)相關(guān)的交流電源電路在設(shè)計上都能滿足IEEE浪涌要求。 表1(1a) IEC 61000-4-5峰值電壓和峰值電流耐受等級和 (1b) IEEE C62.41.2-2002標準 1.2/50 μs-8/20μs預期電壓和電流浪涌

根據(jù)6kV/3kA的浪涌，許多設(shè)計人員在交流初級側(cè)電路中使用14mm MOV。

圖2使用MOV和GDT進行差模和共模瞬態(tài)電壓電路保護的推薦電路 為了獲得更好的可靠性和保護性，首選20mm MOV。20mm MOV可承受45次脈沖6kV/3kA的浪涌電流，比14mm MOV更加可靠。14mm MOV在其使用壽命內(nèi)只能處理約14次浪涌。

電壓瞬態(tài)保護性能比較

將MOV瞬態(tài)電壓保護性能與SIDACtor+MOV組合進行比較。圖3顯示14mm MOV在遭受2kV和4kV浪涌沖擊時的箝位性能。MOV的最大工作電壓為385VACRMS。箝位電壓超過1000V，這對功率半導體造成了很高的應(yīng)力水平。

MOV瞬態(tài)電壓性能

圖3Littelfuse V14P385AUTO MOV在2kV和4kV浪涌下的鉗位性能，箝位電壓超過1000V

1

MOV選型參數(shù)

額定工作電壓：受保護電路的最大連續(xù)電壓；

環(huán)境溫度：MOV周圍區(qū)域的溫度，用于確定是否需要熱降額；

瞬態(tài)電壓波形：定義瞬態(tài)脈沖，包括峰值電壓、持續(xù)時間和瞬態(tài)源阻抗，通常由標準（如IEC-61000-4-5）提供。

瞬態(tài)電壓脈沖數(shù)：由標準定義，這是元件必須承受的脈沖數(shù)，也是MOV需要吸收的脈沖數(shù)。

峰值脈沖電流：瞬態(tài)電壓脈沖和發(fā)生器內(nèi)阻提供峰值電流。

MOV安裝要求（直引線、彎引線或SMD）。

滿足6kV/3kA波形要求是選擇MOV的驅(qū)動因素，典型的使用壽命要求為10個脈沖。

選型決策示例

1級充電器-120VAC，單相電路：預期環(huán)境溫度為100°C。 步驟1：確定MOV的最低額定電壓。經(jīng)驗法則是在標稱交流線路電壓的基礎(chǔ)上增加25%，以考慮不完善的供電服務(wù)：120VACx1.25=150VAC。這就是建議的最低額定電壓，最大峰值浪涌電流必須高于3kA。 步驟2：重復浪涌能力必須符合標準要求。必須根據(jù)溫度降額表降低峰值浪涌電流和額定能量。高電位能力取決于涂層的選擇。使用GDT有助于保護配置達到高電位測試的泄漏要求，而MOV無法單獨滿足這些要求。

2

SIDACtor+MOV瞬態(tài)電壓性能

圖4 SIDACtor+MOV可防止火線和中性線之間的電壓瞬變 SIDACtor+MOV方法有幾個優(yōu)點。主要優(yōu)點是，對于6kV/3kA的浪涌，箝位電壓低于1000V，如表2所示。 表2不同浪涌電壓下Littelfuse V14H385A MOV與P3800FNL SIDACtor和V14H250A MOV的鉗位電壓比較

圖5顯示MOV和SIDACtor+MOV組合的電壓與時間響應(yīng)，再次表明SIDACtor+MOV組合的箝位電壓更低。

圖5 MOV和SIDACtor+MOV組合對6kV浪涌的響應(yīng)

單個MOV在多次浪涌后會出現(xiàn)退化。MOV必須吸收的浪涌次數(shù)越多，漏泄電流就越大。此外，隨著浪涌次數(shù)的增加，擊穿電壓也會下降。漏電流上升和箝位電壓變化顯示了MOV參數(shù)的漂移。設(shè)計人員應(yīng)選擇較大的圓片尺寸，以避免MOV出現(xiàn)這種情況。這種方法會影響成本，并占用重要的PCB空間。不過，采用SIDACtor+MOV組合后，其性能更加穩(wěn)定，而且SIDACtor還能延長MOV的使用壽命。

3

SIDACtor+MOV：瞬態(tài)浪涌保護的卓越解決方案

雖然設(shè)計人員會考慮使用MOV為下游電路提供瞬態(tài)電壓保護，但Littelfuse可通過將SIDACtor保護晶閘管與MOV串聯(lián)，為設(shè)計人員提供卓越的解決方案。SIDACtor+MOV組合具有更低的箝位電壓，可降低半導體應(yīng)力。此外，該組合的漏電流更低，擊穿電壓隨瞬態(tài)沖擊的增加而降低的程度也更小。使用SIDACtor+MOV組合進行瞬態(tài)浪涌保護，可使車載充電器更加可靠、耐用。 如欲了解在電動汽車中使用SIDACtor保護晶閘管的更多信息，請下載Littelfuse公司提供的《如何為電動汽車車載充電器選擇最佳瞬態(tài)浪涌保護》應(yīng)用說明。