瞬态电压和浪涌会带来巨大风险，电动汽车（EV）车载充电系统需要强有力的保护

By Michael Zimmermann, Littelfuse, Inc.



NTC 热敏电阻和MOV 等传统解决方案通常需要更长的响应时间和更高的可靠性。 本文将探讨在严苛的汽车应用环境中，SIDACtor+MOV 组合如何为电动汽车车载充电器提供出色、经济、高效的保护解决方案，实现更快的响应速度、更低的箝位电压和更高的耐用性。
如今，元器件制造商提供多种用于保护电子电路的设备。 由于车载充电器与电网相连，因此必须使用独特的元件来防止电压浪涌。
Littelfuse 解决方案的重点体现在先进的过流和过压保护技术，包括 MOV（金属氧化物压敏电阻）、TVS（瞬态电压抑制器）、GDT（气体放电管）和 SIDACtor® 保护晶闸管。 设计工程师面临的挑战是如何优化元件选择和确定最佳技术组合，以实现最佳性价比。
一种独特的解决方案是将 SIDACtor 和压敏电阻（SMD 或 THT）结合在一起，在高浪涌脉冲条件下可以实现低箝位电压。 SIDACtor+MOV 组合使汽车工程师能够优化设计中功率半导体的选择，从而降低成本。 这些部件需要将交流电压转换为直流电压，以便为车载电池充电。



图 1：车载充电器框图


车载充电器 (OBC) 在电动汽车充电过程中可能会受到电网过压情况的影响，因此，设计必须保护功率半导体免受过压瞬变影响，以避免最大极限的电压导致设备损坏。为了延长电动汽车的可靠性和使用寿命，工程师必须在设计中满足不断增加的浪涌电流要求和降低最大箝位电压。
图 1 显示需要保护元件的电路和可采用高效元件的电路块。 下表列出了推荐的技术。
车载充电器潜在浪涌脉冲来自间接雷击、负载切换和系统故障。想象一下，直接雷击功率可以达到100kA，就可以理解规范中的高浪涌电流要求了。 造成浪涌脉冲的其他根本原因可能是突然的负载切换和电力系统故障。
瞬态电压浪涌的来源举例如下：

• 电容性负载的切换
• 低压系统和谐振电路的切换
• 施工、交通事故或暴风雨造成的短路

浪涌脉冲在并联电缆上的耦合是电容性的；在导体环路上的耦合是电感性的；在近场中的耦合是发射性的。 瞬态浪涌发生在电缆上（电源线、数据线或信号线），可以是对称的（线对线），也可以是不对称的（线对地）。 了解耦合和传播源对于解决应用问题至关重要。
IEC-61000-4-5 是浪涌抗扰度的相关标准。 表 1 列出了最高 4kV 的浪涌电压。 2Ω 发生器电阻可产生 2kA 的浪涌脉冲 (1a)。 IEEE C62.41.2-2002 标准规定了 6 kV/3 kA 的浪涌额定值 (1b)。 如今，大多数与电网相关的交流电源电路在设计上都能满足 IEEE 浪涌要求。

 
表 1：(1a) IEC 61000-4-5 峰值电压和峰值电流耐受等级和 (1b) IEEE C62.41.2-2002 标准 1.2/50 µs-8/20 µs 预期电压和电流浪涌
根据 6kV/3kA 的浪涌，许多设计人员在交流初级侧电路中使用 14mm MOV。



图 2：使用 MOV 和 GDT 进行差模和共模瞬态电压电路保护的推荐电路

为了获得更好的可靠性和保护性，首选 20mm MOV。 20mm MOV 可承受 45次 脉冲 6kV/3kA 的浪涌电流，比 14mm MOV 更加可靠。 14mmMOV在其使用寿命内只能处理约 14次浪涌。

电压瞬态保护性能比较
将 MOV 瞬态电压保护性能与 SIDACtor+MOV 组合进行比较。 图 3 显示14mm MOV 在遭受 2kV 和 4kV 浪涌冲击时的箝位性能。 MOV 的最大工作电压为 385VACRMS。 箝位电压超过 1000V，这对功率半导体造成了很高的应力水平。
MOV 瞬态电压性能


图 3：Littelfuse V14P385AUTO MOV 在 2kV 和 4kV 浪涌下的钳位性能，箝位电压超过 1000V。

MOV 选型参数
- 额定工作电压：受保护电路的最大连续电压；
- 环境温度：MOV 周围区域的温度，用于确定是否需要热降额；
- 瞬态电压波形：定义瞬态脉冲，包括峰值电压、持续时间和瞬态源阻抗，通常由标准（如 IEC-61000-4-5）提供。
- 瞬态电压脉冲数：由标准定义，这是元件必须承受的脉冲数，也是 MOV 需要吸收的脉冲数。
- 峰值脉冲电流：瞬态电压脉冲和发生器内阻提供峰值电流。
- MOV 安装要求（直引线、弯引线或 SMD）。
- 满足6kV/3kA 波形要求是选择 MOV 的驱动因素，典型的使用寿命要求为 10 个脉冲。
选型决策示例
1 级充电器-120VAC，单相电路：预期环境温度为 100°C。
步骤 1：确定 MOV 的最低额定电压。 经验法则是在标称交流线路电压的基础上增加 25%，以考虑不完善的供电服务：120VAC x 1.25 = 150VAC。这就是建议的最低额定电压，最大峰值浪涌电流必须高于 3kA。
步骤 2：重复浪涌能力必须符合标准要求。必须根据温度降额表降低峰值浪涌电流和额定能量。高电位能力取决于涂层的选择。使用 GDT 有助于保护配置达到高电位测试的泄漏要求，而 MOV 无法单独满足这些要求。

SIDACtor+MOV 瞬态电压性能


图 4：SIDACtor+MOV 可防止火线和中性线之间的电压瞬变

SIDACtor+MOV 方法有几个优点。 主要优点是，对于 6kV/3kA 的浪涌，箝位电压低于 1000V，如表 2 所示。
图 5 显示 MOV 和 SIDACtor+MOV 组合的电压与时间响应，再次表明 SIDACtor+MOV 组合的箝位电压更低。


表 2：不同浪涌电压下 Littelfuse V14H385A MOV 与 P3800FNL SIDACtor 和 V14H250A MOV 的钳位电压比较

 
图 5. MOV 和 SIDACtor+MOV 组合对 6 kV浪涌的响应

单个 MOV 在多次浪涌后会出现退化。 MOV 必须吸收的浪涌次数越多，漏泄电流就越大。 此外，随着浪涌次数的增加，击穿电压也会下降。 漏电流上升和箝位电压变化显示了 MOV 参数的漂移。 设计人员应选择较大的圆片尺寸，以避免 MOV 出现这种情况。 这种方法会影响成本，并占用重要的 PCB 空间。 不过，采用 SIDACtor+MOV 组合后，其性能更加稳定，而且 SIDACtor 还能延长 MOV 的使用寿命。
SIDACtor+MOV： 瞬态浪涌保护的卓越解决方案
虽然设计人员会考虑使用 MOV 为下游电路提供瞬态电压保护，但 Littelfuse 可通过将 SIDACtor 保护晶闸管与 MOV 串联，为设计人员提供卓越的解决方案。 SIDACtor+MOV 组合具有更低的箝位电压，可降低半导体应力。 此外，该组合的漏电流更低，击穿电压随瞬态冲击的增加而降低的程度也更小。 使用 SIDACtor+MOV 组合进行瞬态浪涌保护，可使车载充电器更加可靠、耐用。
如欲了解在电动汽车中使用SIDACtor保护晶闸管的更多信息，请下载Littelfuse公司提供的《如何为电动汽车车载充电器选择最佳瞬态浪涌保护》应用说明。
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