隨著車輛的進步，其電氣電子（ EE） 架構必須跟上步伐，以有效應對不斷增長的電力需求。傳統的分布式和基于域的控制系統面臨著日益嚴峻的挑戰，包括復雜性增加、布線過多和通信瓶頸。區域控制架構通過將電子控制單元（ECU）整合到局部區域、簡化配電、減少布線要求并提高系統可靠性來提供解決方案。本文探討了向區域控制的轉變、其在電源管理中的作用，以及確保下一代汽車系統安全、高效運行所需的關鍵保護策略。

現代電動汽車集成了先進的安全、便利和連接功能，推動了對電子控制單元（ECU）依賴性的增加。隨著高端車輛集成了150 多個ECU，對更高效、更易于擴展的控制架構的需求變得顯而易見。汽車控制系統已經從單層設計發展到多層設計，以應對日益增長的ECU復雜性。

●   分布式架構：早期設計中，每個 ECU直接連接到主控制器。

●   領域架構：引入域控制器來監督特定功能，減輕主控制器的負擔。

●   區域架構：按車輛的物理區域組織 ECU，區域控制器（ ZCU）管理每個區域內的作。

區域架構通過更快的響應時間提高安全性，支持模塊化可擴展性，支持高速以太網通信，并降低布線復雜性。然而，從分布式或基于域的系統遷移到集中式區域模型也需要重新定義分布式電源管理方法。確?？鐓^域穩定的電力傳輸，同時保持效率并防止電氣故障，已成為關鍵的設計優先事項。

圖1 汽車架構的演變歷程

1   通過區域控制提高電動汽車的效率和可靠性

區域控制通過改善電池管理、支持能量回收和提高動力總成效率來增強電動汽車性能。域控制器（ZCU）監控熱條件和傳感器數據，同時在可能涉及過流、過壓和靜電放電（ ESD） 風險的苛刻環境中保持可靠性。關鍵動力總成元件，包括牽引電機逆變器和車載電池充電器，也面臨這些危險。以下各節重點介紹了提高電路魯棒性的保護方法。

圖2 ZCU框圖

2   保護ZCU

作為每個區域內的中心樞紐，ZCU即使在惡劣的條件下也需要提供一致、可靠的運行。圖 2顯示了ZCU中常見電路的框圖。本文討論了這些電路的保護技術，以確保耐用性和安全車輛運行，以及推薦的保護組件。

ZCU需要針對電源故障進行保護，例如由電源側或負載側故障引起的過流事件?？梢允褂每焖偃蹟嗥骰蚓酆衔镎郎囟认禂担?PPTC） 自恢復熔斷器來實現保護。符合AEC-Q200標準的一次性和可復位保險絲均可承受汽車環境的嚴苛條件。

ZCU中的電源容易受到高壓瞬變的影響，尤其是負載突降，當電源突然中斷時會產生感應尖峰。為了保護下游電路，可以使用瞬態電壓抑制（TVS）二極管或金屬氧化物壓敏電阻 （MOV）。雖然MOV可以吸收更高的負載突降能量， 但TVS二極管提供更快的響應和鉗位到更低的電壓。MOV和TVS二極管型號均具有AEC認證。

同樣重要的是保護ZCU的許多通信和控制接口在惡劣的汽車環境中免受損壞。靜電放電 （ESD） 和電壓瞬變帶來最大的風險。ESD二極管和聚合物ESD抑制器為通信線和控制線提供有效保護。

低電容器件是首選，以最大限度地減少信號失真并確保ZCU與其在區域控制架構中管理的各種功能之間的可靠數據傳輸。

圖3 板載電池充電器 （OBC）保護推薦組件

3   保護車載電池充電器（OBC）

板載電池充電器（OBC）（如圖 3）將交流線路電壓轉換為直流電，為電池組充電，通常工作電壓為 400–800V。隨著更高功率和更快的充電（包括三相交流電）成為常態，OBC 中的每個電路塊都需要保護組件，在某些情況下還需要控制元件以最大限度地提高效率。

除了常見的電動車瞬變外，OBC 還需應對交流電力線的風險，如過載和浪涌。與任何線路供電設備一樣，OBC需要防護這些危害，同時保護通信電路免受數據損壞，并最大限度地減少內部電力損耗，以幫助縮短充電時間。

4   保護策略

第一道防線是保險絲，它提供過載保護。選擇具有高中斷電流額定值和高額定電壓的保險絲，以確保它們在最壞情況下能夠可靠地打開。為了防止浪涌瞬變或雷擊，金屬氧化物壓敏電阻（MOV） 應盡可能靠近充電器的輸入端子放置。對于三相OBC，可以添加額外的MOV，以實現相間和相間瞬態保護。

為了進一步降低下游電路的應力，雙極保護晶閘管可以與 MOV串聯使用。晶閘管的低鉗位電壓和高浪涌電流容量允許使用具有較低隔離電壓的MOV，從而降低充電器內部電路的峰值瞬態電壓。

為了獲得最高級別的安全性，還可以添加氣體放電管 （GDT）。GDT在交流線路和車輛底盤接地之間提供強大的電氣隔離，針對雷電干擾引起的快速上升瞬變提供卓越的保護。

剩余電流監測器可檢測交流/ 直流泄漏或絕緣擊穿，型號能夠檢測低至 6mA的直流差分和10mA的交流差分。在整流器模塊中，晶流管使用具有高電流處理能力來提供所需的功率，同時安全地承受通過保護級和EMI濾波器級的浪涌電流瞬變。

功率因數校正電路通過降低總交流功耗來提高效率。對于電感調節，將柵極驅動器與絕緣柵雙極晶體管 （IGBT） 配對。

選擇具有寬電壓范圍、強閂鎖抗擾度和快速開關速度的驅動器，以最大限度地減少損耗。ESD保護也至關重要——通過內置保護措施或額定瞬變高達30 kV的外部ESD二極管。

DC/DC電路可提高充電電壓并向電池提供電流。為了抵消 Ldi/dt 效應，請在集電極和柵極之間使用TVS二極管保護功率IGBT。這種有源箝位方法可以穩定IGBT，現在一些 IGBT 直接集成了此功能。

輸出電壓級可能需要防止電流過載和電壓瞬變，例如當電機打開/ 關閉或電纜斷裂中斷電流時。雖然某些模塊包括內置保護措施，但可能需要額外的保護：用于短路條件的保險絲和用于瞬態抑制的 MOV 或 TVS 二極管。

最后，控制單元與ZCU 連接。為防止通信故障或數據損壞，請對其I/O 線路應用ESD 和瞬態電壓保護。用于ZCU CAN 總線的相同ESD 二極管也適用于此。通過結合這些保護策略，工程師可以設計出在現實世界的電氣危險下保持可靠和彈性的 OBC。圖3說明了推薦的組件。

圖4 牽引電機逆變器框圖

5   保護牽引電機逆變器

牽引電機逆變器將電池直流電轉換為交流電流以驅動牽引電機。該電路塊的運行需要安全、高效和可靠的推進。圖 4 顯示了牽引電機逆變器的電路塊，列出了推薦的保護、控制和傳感組件。

應使用ESD二極管陣列保護CAN 收發器免受ESD沖擊。推薦用于ZCU CAN/CAN FD 電路的相同TVS二極管陣列適用于此。

柵極驅動器電路控制IGBT或SiC MOSFET，管理開關以平衡效率和最小損耗。使用ESD二極管陣列保護驅動器IC以吸收靜電沖擊。

逆變器模塊產生推進力。為了確保一致運行，需要保護功率晶體管免受過流、電壓尖峰和過熱的影響。熱保護器可以斷開電源電流，以防止結溫過高。使用 SiC MOSFET 時，在柵極和源極之間添加一個TVS二極管。

對于IGBT，在集電極和柵極之間放置一個TVS二極管來箝位電壓瞬變，這是一種經過驗證的有源箝位技術，用于保持器件穩定性。

對于電機負載監測，通常使用霍爾效應傳感器。通過檢測載流線周圍的磁場，這些傳感器提供隔離電流測量，而不會增加電路的功率損耗。

6   可靠的ZCU和動力總成運行

隨著汽車制造商轉向區域控制架構，確保ZCU、車載充電器和牽引逆變器的穩健運行對于安全性和效率至關重要。集成適當的過流、過壓、ESD和熱危害保護，可增強系統在苛刻的汽車條件下的耐用性。與組件制造商的應用工程師（例如 Littelfuse 的應用工程師）合作可提供額外的好處，從優化的組件選擇和經濟高效的保護策略到更順暢的合規性測試和更快的認證。

（本文來源于《EEPW》202512）