保险丝是保护电机系统的常见且可靠的解决方案，能够相对有效地应对过电流。然而，传统保险丝的精度和响应时间可能不足以保护用于车载充电器的SiC和GaN基功率半导体设备免受浪涌电流(如微秒级短路)的影响。eFuse系统能够在纳秒内精确检测这些浪涌电流并切断电流，成为保护下一代电动汽车(EV)系统中的关键组件。

　　热熔断器挑战

　　在保护系统免受过电流影响时，需要考虑一些挑战：

　　保险丝能在数十毫秒内中断电流，但熔断电流不准确。

　　类似短路的浪涌电流可能在保险丝熔断前损坏设备。

　　一旦保险丝熔断，系统无法恢复正常运行，直到更换保险丝。

　　电动汽车系统由相对耐受过电流的组件组成，包括易受短路等浪涌电流损害的功率半导体设备。

　　热熔断器，至今仍广泛使用，通过在过电流发生时熔化内部导体来中断过电流。然而，由于其工作原理，熔断器从浪涌电流发生到切断电流需要几毫秒到几十毫秒。因此，很难保护半导体功率设备免受微秒级短路等浪涌电流造成的损害。需要考虑和设计保护功率设备以外的组件的余量，因为熔断电流受变化和温度依赖性的影响。

　　一旦保险丝熔断，系统无法恢复正常运行，因此即使是临时和罕见的浪涌电流，如雷击或短路电流，也不会允许系统恢复，直到更换保险丝。采用半导体开关解决传统保险丝挑战的保护系统更适合下一代电动汽车的保护。

　　概念验证eFuse系统

　　在本概念验证中，旭化成开发了一种eFuse系统，解决了保险丝问题并提供了：

　　快速精确的浪涌电流检测

　　精确设置电流切断阈值和响应时间

　　使用半导体开关进行电流中断和恢复操作

　　eFuse系统设计用于处理不同的操作模式，即短路和过电流，并在三个电路中生成电流切断触发器：短路检测、dI/dt检测和过电流保护(图1)。这些电路配置允许对不同操作模式进行更好的电流关闭控制，从而比保险丝提供更灵活的保护系统。

　　为了保护SiC、GaN和其他半导体功率设备免受短路电流和其他原因造成的损害，需要快速精确的电流检测。在这里，我们采用了旭化成微设备(Asahi Kasei Microdevices)的CZ39xx系列电流传感器(图1)，非常适合此应用。其4 MHz带宽、不到100 ns的响应时间和快速从开关噪声中恢复使其适合此应用。此外，得益于III-V化合物半导体霍尔元件技术，它能够承受超过几百毫特斯拉的强磁场。

　　这些采用CZ39xx系列电流传感器的电路、包括控制逻辑的外围电路以及由SiC功率设备组成的半导体开关都安装在一个紧凑的PCB上。这导致了eFuse，一种无需更换任何组件且具有与短路或过电流等异常电流原因相匹配的切断特性的可重置保护设备。

　　概念验证结果

　　图2a显示了eFuse系统的实际概念验证板。采用SiC FET作为开关设备，电路设计为800V加强隔离和高达1kA的短路电流。图2b显示了eFuse系统的特性曲线。红色表示从电流超过阈值到检测触发器发生时的响应时间测量结果，蓝色表示电流降至0A时的响应时间。eFuse系统在短路模式下对超过80A的浪涌电流实现了不到250 ns的响应时间。另一方面，对于低于80A的过电流，响应时间设计得比浪涌电流检测的响应时间慢，以避免不必要的关闭。

　　图3显示了短路电流检测的测量结果。关注电流传感器的输出电压波形，从过电流检测触发点到电流切断触发器生成的时间不到160ns。因此，eFuse系统实现了比传统热熔断器更快的电流检测和电流中断。

　　解决传统保险丝挑战

　　这一新开发的概念验证实现了一种新的eFuse系统，解决了传统热熔断器保护系统的挑战。凭借快速精确的电流检测解决方案，eFuse系统可以为下一代电动汽车系统提供所需的过电流保护。此外，eFuse中采用的电流传感器不仅支持其功能，还可以控制连接的子系统(如DC/DC或OBC转换器)中的电流。

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