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為下一代車輛創新設計電路極具挑戰性。新的車輛設計融合了大量復雜的微處理器電路以及最新的電動車(EV)車載充電技術。為了確保目前的新設計可靠和安全，并且能夠承受超載、瞬變和靜電放電，電子設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鍵任務，為電路保護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，它結合了內燃機和電力驅動。混合動力車對電子工程師而言是最棘手的情況，他們必須開發出足夠可靠的電路，以承受內燃機和大功率馬達都可能產生的瞬變。
除了保護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電源線可能產生瞬變和超載。車載充電器電路的保護方式應與設計工程師保護任何線路供電產品的方式相同。通訊電路也必須得到適當的保護，以確保處理器能承受住任何的ESD瞬變，從而避免數據損壞。除此之外，工程師希望設計此電路以最大限度地減少內部功耗，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。今日的電動車消費者想要更快的充電速度。因此，需要包括三相電源在內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。每個電路塊都標識了推薦的保護組件，還有根據需要，已達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。提供超載保護的保險絲是第一道防線。考慮具有高分斷電流額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 可吸收瞬態能量并協助防止其損壞下游更遠的其它電路。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保護和相中性瞬態保護的MOV。
為了更進一步保護下游電路，請將雙極閘流體(bipolar thyristor)與MOV串聯。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電壓。
氣體放電管(GDT)提供了第四級的高度電路保護。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 提供了額外的保護力度，以防止雷擊干擾引起的快速上升瞬變。 
整流器
電路設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(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力。閘流體還可以安全地吸收可能已經通過輸入電壓和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合，提高了電路的電源效率。請務必選擇具有內建 ESD保護功能的閘極驅動器，或添加外部ESD二極管來保護閘極驅動器免受ESD影響。雙向或單向 ESD二極管可承受高達30kV的ESD瞬變。 
DC鏈路
DC鏈路由電容器組組成，用于穩定大功率DC/DC轉換器產生的紋波。考慮到DC鏈路的大電壓瞬變，設計工程師可以利用高電壓TVS二極管來保護電容器組。
DC/DC 轉換器
DC/DC部份提高輸出充電電壓并為電池產生充電電流。與功率因子校正電路類似，DC/DC轉換器需要強大的閘極驅動器。如果選擇的閘極驅動器不包括內部 ESD 保護，請務必添加 ESD 二極管以保護閘極驅動器。添加外部 ESD 二極管并不至于降低閘極驅動器的性能。
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，由于內部寄生電感的L·di/dt 效應，IGBT 還會產生關斷開關瞬變。在每個 IGBT 的集電極和閘極之間放置一個 TVS二極管，以消除這種瞬態對IGBT的潛在損壞。TVS二極管提高閘極電壓來降低瞬態電流的di/dt。當集電極-發射極電壓超過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二極管繼續導通，直到瞬態消失。「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 保持穩定狀態。有些IGBT內建主動箝位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
當馬達接通和斷開時，或當電流因電纜斷裂而瞬間中斷時，可能會發生電流超載和車內電壓瞬變。因此，輸出電壓級需要有強大的保護。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總線與數據網絡通訊。為避免損壞通訊電路和避免數據損壞，請確保提供 ESD和瞬態保護。這種保護可以利用單個組件來實現以節省空間。例如，圖 3顯示了為 CAN 總線訊號線保護而設計的雙線 TVS 二極管數組。專為保護通訊線路而設計的 TVS 二極管數組具有最小的電容，并且不會降低發送器/接收器 I/O 狀態。
設計工程師遵循這些保護和控制建議，可以確保他們的新車載充電系統將為其電動車駕駛人提供強大、可靠和安全的電路。只要有可能，請記住使用經認證可在危險的汽車環境中使用的AEC-Q合格組件(即AEC-Q101涵蓋分離式半導體，AEC-Q200涵蓋例如壓敏電阻等被動組件)。請務必記住，在選擇合適的保護和電源控制組件時，還可以利用制造商的專業知識和豐富的應用知識來獲得協助。