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為下一代車輛創(chuàng)新設(shè)計電路極具挑戰(zhàn)性。新的車輛設(shè)計融合了大量復(fù)雜的微處理器電路以及最新的電動車(EV)車載充電技術(shù)。為了確保目前的新設(shè)計可靠和安全，并且能夠承受超載、瞬變和靜電放電，電子設(shè)計人員必須確保其電路具有防止這種損壞的必要組件。本白皮書介紹了車載充電電路的七個關(guān)鍵任務(wù)，為電路保護(hù)和高效電源控制提供了建議。


電動車的主要電路概述如上圖1所示。這張圖描述了一種混合動力車，它結(jié)合了內(nèi)燃機(jī)和電力驅(qū)動。混合動力車對電子工程師而言是最棘手的情況，他們必須開發(fā)出足夠可靠的電路，以承受內(nèi)燃機(jī)和大功率馬達(dá)都可能產(chǎn)生的瞬變。
除了保護(hù)這些電路免于受到電動車固有的瞬變之外，車載充電器還必須與交流(AC)電源線匹配，因AC電源線可能產(chǎn)生瞬變和超載。車載充電器電路的保護(hù)方式應(yīng)與設(shè)計工程師保護(hù)任何線路供電產(chǎn)品的方式相同。通訊電路也必須得到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，以確保處理器能承受住任何的ESD瞬變，從而避免數(shù)據(jù)損壞。除此之外，工程師希望設(shè)計此電路以最大限度地減少內(nèi)部功耗，這有助于盡可能縮短電池充電時間。
車載充電器將AC線路電壓轉(zhuǎn)換為主電池組充電所需的直流(DC)電壓。電池組的完全充電電壓范圍為300-500V。今日的電動車消費(fèi)者想要更快的充電速度。因此，需要包括三相電源在內(nèi)的更高功率的充電電路。圖2顯示具有單相電路的車載充電器方塊圖范例。每個電路塊都標(biāo)識了推薦的保護(hù)組件，還有根據(jù)需要，已達(dá)最佳充電器效率的控制組件。
輸入電壓
輸入電壓部份容易受到瞬變的影響，包括AC線路上的雷擊和突波。提供超載保護(hù)的保險絲是第一道防線。考慮具有高分?jǐn)嚯娏黝~定值和高額定電壓的保險絲；這可確保保險絲在最壞的電流超載情況下斷開。在保險絲的下游放置一個金屬氧化物壓敏電阻(MOV)以防止突波瞬變或雷擊。MOV 可吸收瞬態(tài)能量并協(xié)助防止其損壞下游更遠(yuǎn)的其它電路。如果車載充電器(OBC)使用三相電源，請考慮增加用于相間瞬態(tài)保護(hù)和相中性瞬態(tài)保護(hù)的MOV。
為了更進(jìn)一步保護(hù)下游電路，請將雙極閘流體(bipolar thyristor)與MOV串聯(lián)。閘流體的箝位電壓非常低，通常在5V左右。閘流體的使用還使設(shè)計人員能夠選擇具有較低隔離電壓的MOV。這種組合的好處是降低了下級電路瞬間暴露的峰值瞬態(tài)電壓。
氣體放電管(GDT)提供了第四級的高度電路保護(hù)。GDT在火線和中性線與車輛底盤接地之間提供高電阻、電氣隔離。GDT 提供了額外的保護(hù)力度，以防止雷擊干擾引起的快速上升瞬變。 
整流器
電路設(shè)計人員可以選擇具有足夠電流處理能力的整流塊閘流體，為快速、高功率充電提供必要的功率。這種技術(shù)(過整流二極管)的使用提供了「更軟」的啟動(更低的突波電流)并減少了功率因子校正模塊上的電應(yīng)力。閘流體還可以安全地吸收可能已經(jīng)通過輸入電壓和EMI濾波器級的瞬變突波電流。 
功率因子校正
利用功率因子校正電路提高充電效率，從而降低AC電源線中提取的總功率。使用閘極驅(qū)動器和絕緣閘雙極晶體管(IGBT)控制電路中的電感量。確保選擇具有足夠工作電壓范圍的閘極驅(qū)動器來控制IGBT。除此之外，請考慮選擇具有高抗閂鎖能力和快速上升和下降時間的閘極驅(qū)動器，以快速切換 IGBT。快速上升和下降時間與低電源電流相結(jié)合，提高了電路的電源效率。請務(wù)必選擇具有內(nèi)建 ESD保護(hù)功能的閘極驅(qū)動器，或添加外部ESD二極管來保護(hù)閘極驅(qū)動器免受ESD影響。雙向或單向 ESD二極管可承受高達(dá)30kV的ESD瞬變。 
DC鏈路
DC鏈路由電容器組組成，用于穩(wěn)定大功率DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的紋波。考慮到DC鏈路的大電壓瞬變，設(shè)計工程師可以利用高電壓TVS二極管來保護(hù)電容器組。
DC/DC 轉(zhuǎn)換器
DC/DC部份提高輸出充電電壓并為電池產(chǎn)生充電電流。與功率因子校正電路類似，DC/DC轉(zhuǎn)換器需要強(qiáng)大的閘極驅(qū)動器。如果選擇的閘極驅(qū)動器不包括內(nèi)部 ESD 保護(hù)，請務(wù)必添加 ESD 二極管以保護(hù)閘極驅(qū)動器。添加外部 ESD 二極管并不至于降低閘極驅(qū)動器的性能。
確保功率IGBT避免受到電壓瞬變的影響非常重要。除了防止外部瞬變外，由于內(nèi)部寄生電感的L·di/dt 效應(yīng)，IGBT 還會產(chǎn)生關(guān)斷開關(guān)瞬變。在每個 IGBT 的集電極和閘極之間放置一個 TVS二極管，以消除這種瞬態(tài)對IGBT的潛在損壞。TVS二極管提高閘極電壓來降低瞬態(tài)電流的di/dt。當(dāng)集電極-發(fā)射極電壓超過TVS二極管的擊穿電壓時，電流通過TVS二極管流入閘極以提高其電位。TVS二極管繼續(xù)導(dǎo)通，直到瞬態(tài)消失。「主動箝位」(active clamping)的作用是以TVS二極管作為集電極-閘極回饋組件使IGBT 保持穩(wěn)定狀態(tài)。有些IGBT內(nèi)建主動箝位TVS二極管。請選擇該類型的IGBT或在電路中添加TVS 二極管。
輸出電壓
當(dāng)馬達(dá)接通和斷開時，或當(dāng)電流因電纜斷裂而瞬間中斷時，可能會發(fā)生電流超載和車內(nèi)電壓瞬變。因此，輸出電壓級需要有強(qiáng)大的保護(hù)。考慮使用保險絲來防止因電池組或承載電池電壓的電纜短路而導(dǎo)致的過電流。MOV或TVS二極管可防止任何潛在的破壞性電壓瞬變。
控制單元
充電器的控制單元通過CAN總線與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通訊。為避免損壞通訊電路和避免數(shù)據(jù)損壞，請確保提供 ESD和瞬態(tài)保護(hù)。這種保護(hù)可以利用單個組件來實現(xiàn)以節(jié)省空間。例如，圖 3顯示了為 CAN 總線訊號線保護(hù)而設(shè)計的雙線 TVS 二極管數(shù)組。專為保護(hù)通訊線路而設(shè)計的 TVS 二極管數(shù)組具有最小的電容，并且不會降低發(fā)送器/接收器 I/O 狀態(tài)。
設(shè)計工程師遵循這些保護(hù)和控制建議，可以確保他們的新車載充電系統(tǒng)將為其電動車駕駛?cè)颂峁?qiáng)大、可靠和安全的電路。只要有可能，請記住使用經(jīng)認(rèn)證可在危險的汽車環(huán)境中使用的AEC-Q合格組件(即AEC-Q101涵蓋分離式半導(dǎo)體，AEC-Q200涵蓋例如壓敏電阻等被動組件)。請務(wù)必記住，在選擇合適的保護(hù)和電源控制組件時，還可以利用制造商的專業(yè)知識和豐富的應(yīng)用知識來獲得協(xié)助。