保險絲是保護電機系統的常見且可靠的解決方案，能夠相對有效地應對過電流。然而，傳統保險絲的精度和響應時間可能不足以保護用于車載充電器的SiC和GaN基功率半導體設備免受浪涌電流(如微秒級短路)的影響。eFuse系統能夠在納秒內精確檢測這些浪涌電流并切斷電流，成為保護下一代電動汽車(EV)系統中的關鍵組件。

　　熱熔斷器挑戰

　　在保護系統免受過電流影響時，需要考慮一些挑戰：

　　保險絲能在數十毫秒內中斷電流，但熔斷電流不準確。

　　類似短路的浪涌電流可能在保險絲熔斷前損壞設備。

　　一旦保險絲熔斷，系統無法恢復正常運行，直到更換保險絲。

　　電動汽車系統由相對耐受過電流的組件組成，包括易受短路等浪涌電流損害的功率半導體設備。

　　熱熔斷器，至今仍廣泛使用，通過在過電流發生時熔化內部導體來中斷過電流。然而，由于其工作原理，熔斷器從浪涌電流發生到切斷電流需要幾毫秒到幾十毫秒。因此，很難保護半導體功率設備免受微秒級短路等浪涌電流造成的損害。需要考慮和設計保護功率設備以外的組件的余量，因為熔斷電流受變化和溫度依賴性的影響。

　　一旦保險絲熔斷，系統無法恢復正常運行，因此即使是臨時和罕見的浪涌電流，如雷擊或短路電流，也不會允許系統恢復，直到更換保險絲。采用半導體開關解決傳統保險絲挑戰的保護系統更適合下一代電動汽車的保護。

　　概念驗證eFuse系統

　　在本概念驗證中，旭化成開發了一種eFuse系統，解決了保險絲問題并提供了：

　　快速精確的浪涌電流檢測

　　精確設置電流切斷閾值和響應時間

　　使用半導體開關進行電流中斷和恢復操作

　　eFuse系統設計用于處理不同的操作模式，即短路和過電流，并在三個電路中生成電流切斷觸發器：短路檢測、dI/dt檢測和過電流保護(圖1)。這些電路配置允許對不同操作模式進行更好的電流關閉控制，從而比保險絲提供更靈活的保護系統。

　　為了保護SiC、GaN和其他半導體功率設備免受短路電流和其他原因造成的損害，需要快速精確的電流檢測。在這里，我們采用了旭化成微設備(Asahi Kasei Microdevices)的CZ39xx系列電流傳感器(圖1)，非常適合此應用。其4 MHz帶寬、不到100 ns的響應時間和快速從開關噪聲中恢復使其適合此應用。此外，得益于III-V化合物半導體霍爾元件技術，它能夠承受超過幾百毫特斯拉的強磁場。

　　這些采用CZ39xx系列電流傳感器的電路、包括控制邏輯的外圍電路以及由SiC功率設備組成的半導體開關都安裝在一個緊湊的PCB上。這導致了eFuse，一種無需更換任何組件且具有與短路或過電流等異常電流原因相匹配的切斷特性的可重置保護設備。

　　概念驗證結果

　　圖2a顯示了eFuse系統的實際概念驗證板。采用SiC FET作為開關設備，電路設計為800V加強隔離和高達1kA的短路電流。圖2b顯示了eFuse系統的特性曲線。紅色表示從電流超過閾值到檢測觸發器發生時的響應時間測量結果，藍色表示電流降至0A時的響應時間。eFuse系統在短路模式下對超過80A的浪涌電流實現了不到250 ns的響應時間。另一方面，對于低于80A的過電流，響應時間設計得比浪涌電流檢測的響應時間慢，以避免不必要的關閉。

　　圖3顯示了短路電流檢測的測量結果。關注電流傳感器的輸出電壓波形，從過電流檢測觸發點到電流切斷觸發器生成的時間不到160ns。因此，eFuse系統實現了比傳統熱熔斷器更快的電流檢測和電流中斷。

　　解決傳統保險絲挑戰

　　這一新開發的概念驗證實現了一種新的eFuse系統，解決了傳統熱熔斷器保護系統的挑戰。憑借快速精確的電流檢測解決方案，eFuse系統可以為下一代電動汽車系統提供所需的過電流保護。此外，eFuse中采用的電流傳感器不僅支持其功能，還可以控制連接的子系統(如DC/DC或OBC轉換器)中的電流。

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