作者：Michael Zimmermann, Littelfuse, Inc.

瞬態電壓和浪涌會帶來巨大風險，電動汽車（EV）車載充電系統需要強有力的保護

NTC熱敏電阻和MOV等傳統解決方案通常需要更長的響應時間和更高的可靠性。本文將探討在嚴苛的汽車應用環境中，SIDACtor+MOV組合如何為電動汽車車載充電器提供出色、經濟、高效的保護解決方案，實現更快的響應速度、更低的箝位電壓和更高的耐用性。

如今，元器件制造商提供多種用于保護電子電路的設備。由于車載充電器與電網相連，因此必須使用獨特的元件來防止電壓浪涌。

Littelfuse解決方案的重點體現在先進的過流和過壓保護技術，包括MOV（金屬氧化物壓敏電阻）、TVS（瞬態電壓抑制器）、GDT（氣體放電管）和SIDACtor保護晶閘管。設計工程師面臨的挑戰是如何優化元件選擇和確定最佳技術組合，以實現最佳性價比。

一種獨特的解決方案是將SIDACtor和壓敏電阻（SMD或THT）結合在一起，在高浪涌脈沖條件下可以實現低箝位電壓。SIDACtor+MOV組合使汽車工程師能夠優化設計中功率半導體的選擇，從而降低成本。這些部件需要將交流電壓轉換為直流電壓，以便為車載電池充電。

圖1 車載充電器框圖 車載充電器（OBC）在電動汽車充電過程中可能會受到電網過壓情況的影響，因此，設計必須保護功率半導體免受過壓瞬變影響，以避免最大極限的電壓導致設備損壞。為了延長電動汽車的可靠性和使用壽命，工程師必須在設計中滿足不斷增加的浪涌電流要求和降低最大箝位電壓。 圖1顯示需要保護元件的電路和可采用高效元件的電路塊。下表列出了推薦的技術。 車載充電器潛在浪涌脈沖來自間接雷擊、負載切換和系統故障。想象一下，直接雷擊功率可以達到100kA，就可以理解規范中的高浪涌電流要求了。造成浪涌脈沖的其他根本原因可能是突然的負載切換和電力系統故障。 瞬態電壓浪涌的來源舉例如下：

電容性負載的切換

低壓系統和諧振電路的切換

施工、交通事故或暴風雨造成的短路

浪涌脈沖在并聯電纜上的耦合是電容性的；在導體環路上的耦合是電感性的；在近場中的耦合是發射性的。瞬態浪涌發生在電纜上（電源線、數據線或信號線），可以是對稱的（線對線），也可以是不對稱的（線對地）。了解耦合和傳播源對于解決應用問題至關重要。 IEC-61000-4-5是浪涌抗擾度的相關標準。表1列出了最高4kV的浪涌電壓。2Ω發生器電阻可產生2kA的浪涌脈沖(1a)。IEEE C62.41.2-2002標準規定了6kV/3kA的浪涌額定值(1b)。如今，大多數與電網相關的交流電源電路在設計上都能滿足IEEE浪涌要求。 表1(1a) IEC 61000-4-5峰值電壓和峰值電流耐受等級和 (1b) IEEE C62.41.2-2002標準 1.2/50 μs-8/20μs預期電壓和電流浪涌

根據6kV/3kA的浪涌，許多設計人員在交流初級側電路中使用14mm MOV。

圖2使用MOV和GDT進行差模和共模瞬態電壓電路保護的推薦電路 為了獲得更好的可靠性和保護性，首選20mm MOV。20mm MOV可承受45次脈沖6kV/3kA的浪涌電流，比14mm MOV更加可靠。14mm MOV在其使用壽命內只能處理約14次浪涌。

電壓瞬態保護性能比較

將MOV瞬態電壓保護性能與SIDACtor+MOV組合進行比較。圖3顯示14mm MOV在遭受2kV和4kV浪涌沖擊時的箝位性能。MOV的最大工作電壓為385VACRMS。箝位電壓超過1000V，這對功率半導體造成了很高的應力水平。

MOV瞬態電壓性能

圖3Littelfuse V14P385AUTO MOV在2kV和4kV浪涌下的鉗位性能，箝位電壓超過1000V

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MOV選型參數

額定工作電壓：受保護電路的最大連續電壓；

環境溫度：MOV周圍區域的溫度，用于確定是否需要熱降額；

瞬態電壓波形：定義瞬態脈沖，包括峰值電壓、持續時間和瞬態源阻抗，通常由標準（如IEC-61000-4-5）提供。

瞬態電壓脈沖數：由標準定義，這是元件必須承受的脈沖數，也是MOV需要吸收的脈沖數。

峰值脈沖電流：瞬態電壓脈沖和發生器內阻提供峰值電流。

MOV安裝要求（直引線、彎引線或SMD）。

滿足6kV/3kA波形要求是選擇MOV的驅動因素，典型的使用壽命要求為10個脈沖。

選型決策示例

1級充電器-120VAC，單相電路：預期環境溫度為100°C。 步驟1：確定MOV的最低額定電壓。經驗法則是在標稱交流線路電壓的基礎上增加25%，以考慮不完善的供電服務：120VACx1.25=150VAC。這就是建議的最低額定電壓，最大峰值浪涌電流必須高于3kA。 步驟2：重復浪涌能力必須符合標準要求。必須根據溫度降額表降低峰值浪涌電流和額定能量。高電位能力取決于涂層的選擇。使用GDT有助于保護配置達到高電位測試的泄漏要求，而MOV無法單獨滿足這些要求。

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SIDACtor+MOV瞬態電壓性能

圖4 SIDACtor+MOV可防止火線和中性線之間的電壓瞬變 SIDACtor+MOV方法有幾個優點。主要優點是，對于6kV/3kA的浪涌，箝位電壓低于1000V，如表2所示。 表2不同浪涌電壓下Littelfuse V14H385A MOV與P3800FNL SIDACtor和V14H250A MOV的鉗位電壓比較

圖5顯示MOV和SIDACtor+MOV組合的電壓與時間響應，再次表明SIDACtor+MOV組合的箝位電壓更低。

圖5 MOV和SIDACtor+MOV組合對6kV浪涌的響應

單個MOV在多次浪涌后會出現退化。MOV必須吸收的浪涌次數越多，漏泄電流就越大。此外，隨著浪涌次數的增加，擊穿電壓也會下降。漏電流上升和箝位電壓變化顯示了MOV參數的漂移。設計人員應選擇較大的圓片尺寸，以避免MOV出現這種情況。這種方法會影響成本，并占用重要的PCB空間。不過，采用SIDACtor+MOV組合后，其性能更加穩定，而且SIDACtor還能延長MOV的使用壽命。

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SIDACtor+MOV：瞬態浪涌保護的卓越解決方案

雖然設計人員會考慮使用MOV為下游電路提供瞬態電壓保護，但Littelfuse可通過將SIDACtor保護晶閘管與MOV串聯，為設計人員提供卓越的解決方案。SIDACtor+MOV組合具有更低的箝位電壓，可降低半導體應力。此外，該組合的漏電流更低，擊穿電壓隨瞬態沖擊的增加而降低的程度也更小。使用SIDACtor+MOV組合進行瞬態浪涌保護，可使車載充電器更加可靠、耐用。 如欲了解在電動汽車中使用SIDACtor保護晶閘管的更多信息，請下載Littelfuse公司提供的《如何為電動汽車車載充電器選擇最佳瞬態浪涌保護》應用說明。