早在十多年前，电动汽车就已经引入400V电池系统，现在我们看到行业正在向800V系统迁移，主要是为了支援直流快速充电。随着电压的提高和从400V系统中学到的经验教训，设计人员现在正专注於增强高压保护电路的效能并提高可靠性，他们正在重新评估使用保险丝、接触器或继电器的现有解决方案，以寻找回应速度更快、更坚固且可靠性更高的解决方案，如热保险丝和电子保险丝（E-Fuse）。

一种先进的解决方案是基於碳化矽（SiC）技术的电子保险丝，SiC提供高工作电压、高工作温度、低导通电阻、低关断状态漏电流，以及对过电压瞬变的耐久性。电子保险丝的固态设计消除了与电弧、机械磨损、触点抖动和定位焊（Tack Weld）相关的可靠性问题，而不再需要用於驱动接触器线圈的继电器。电子保险丝透过其可配置性、受控的导通和关断、车载诊断和对高电压瞬变的耐久性，提高了系统级效能。

采用可重设设计

电子保险丝采用全SiC设计，对短路的回应速度迅速，比热保险丝的回应速度快上数百倍。由於这种特性，电子保险丝成为了基於热保险丝保护解决方案的天然替代方案。尽管热保险丝提供了稳健且可靠的电路保护，但它不可重设，它是一次性使用的设备，就像安全气囊里的火药。

在严重情况下，热保险丝用作切断系统电源的安全措施，一旦引爆，就需要更换；然而在高压系统中更换元件并不像在12V系统中那麽简单。400V或800V的系统电压远高於汽车行业通常认为安全的60V限制，只有合格的维修技术员才能安全地进行维修。幸运的是，由於具有可配置的跳闸特性，作为系统级配套解决方案的电子保险丝对於过电流的敏感度要高於热保险丝，因此可确保其先跳闸，以避免触发热保险丝。

与当今的解决方案相比，电子保险丝的一大优点是其可重设性，这可帮助电动汽车车主节省与车辆维修相关的时间、费用和麻烦。

稳健的直流电路保护

高压直流系统中的电路保护带来了独特的挑战。与交流系统不同，在交流系统中，过零（zero-cross）有助於熄灭电弧，而直流系统则没有这样的过零。为了应对这一问题，高压电动汽车继电器和接触器包含额外的复杂功能，以安全地熄灭电弧，然而电弧仍然会侵蚀触点，导致如高接触电阻或定位焊等可靠性问题。

另一方面，电子保险丝能安全地断开直流电路，而不会产生电弧。在基於继电器的解决方案中造成电弧的感应能量类型，也存在於电子保险丝的保护电路中；因此，电子保险丝解决方案在中断电流时需要吸收这种能量。

主要区别在於电子保险丝的回应速度快，可将峰值电流降低到比传统解决方案低几个数量级。由於感应能量与电流的平方成正比，因此峰值短路电流的减少也会导致允通能量的显着减少，这也会减轻线路压力并减少潜在的下游故障负载。

可配置跳闸特性

Microchip辅助电子保险丝技术展示板可提供开发汽车高压电子保险丝或固态继电器的设计人员使用，电子保险丝的控制和保护电路由12V系统供电。展示板配有LIN通讯介面，支援直接连接到12V电池，同时可透过LIN活动从睡眠模式唤醒，或者从控制模组的开关电池输出唤醒。

如图一的时间-电流特性（TCC）曲线所示，电子保险丝包括三种过电流检测方法，涵盖从略微过电流到极高短路电流，TCC曲线定义电子保险丝类似保险丝的行为，对低过电流的回应速度慢，对高过电流的回应速度快，它可以轻松调整以保护线路和负载。

这三种检测方法可以透过软体或LIN介面轻松配置。最左边的蓝色检测方法使用结温估计演算法来描述跳闸行为。此演算法使用电流测量值、环境温度测量值、SiC MOSFET的R_DS（on）和热设计特性来估计SiC MOSFET的结温。

回应时间随过电流的大小而变化，中间线段代表使用单一电流测量的检测方法，其回应时间固定。最右边的线段代表了一种基於硬体，但可以透过软体配置的检测方法。这种方法利用PIC MCU核心独立周边（CIP），具体包括比较器、固定叁考电压、数位类比转换器和配置为SR锁存器的可配置逻辑单元，这可确保讯号传播时间短至几百奈秒以内，因此可以立即检测到短路并保护高压系统。

图一 : 400V、20A电子保险丝型号的时间-电流特性曲线

除了类似保险丝的行为外，电子保险丝还可以承担机电继电器的功能。如同继电器线圈及其高压触点彼此电气隔离一样，高压电子保险丝的控制讯号与高压端子之间也有隔离屏障。电子保险丝拥有类似於继电器的灵活性，可以连接到系统中，作为为负载??送高压电池正极的高侧输出，或者作为为负载到高压电池负极提供返回路径的低侧输出，如图二所示。

图二 : 电子保险丝系统级配置

高压短路效能

为了真正展示电子保险丝与传统汽车高压保险丝之间回应时间的差异，在450V和大约3 μH线路电感的相似测试条件下，让每种保险丝承受短路的影响。

图三当中显示出产生的波形。黑色波形是测试中流过高压保险丝的电流。在30 μs内，电流达到测量设备的极限3800A，并在50 μs後熔断高压保险丝。根据测试叁数，峰值电流估计已超过6000A。然而，如蓝色波形所示，使用电子保险丝时，跳闸前的电流只有128A，这表示允通电流显着减少，最大程度减少了对接线和下游负载的压力。

它为系统设计人员提供了优化接线以减轻重量和降低成本的选项。在某些情况下，电子保险丝的低允通电流将是拖车状态（导致高电流应力的故障引起硬体永久损坏），和可恢复故障（允许系统自动重定，驾驶员可继续操作车辆）之间的区别。

图三 : 电子保险丝与高压保险丝的电流波形

除了电动汽车本身，如直流快速充电站或为充电站供电的微电网等支援基础设施，也将从电子保险丝中受益。电子保险丝提供的优势不局限於汽车应用。

使用保险丝和接触器的应用可受益於探讨的一些主题以及其他优势，包括车载电流检测，这种检测可实现进一步的系统级整合和优化。非车载应用利用公共源和反串联SiC MOSFET配置，需要的电流能力可能比展示板提供的更高。幸运的是，设计扩充十分简单，可以针对公共源配置中提供的SiC电源模组进行调整。

随着对效能、安全性和可靠性的关注度不断提高，电子保险丝作为电路保护解决方案将不断发展，成为优先采用的方法，如同12V系统从保险丝和继电器转向保护型固态驱动器，最近又转向低压电子保险丝一样。

（本文作者Ehab Tarmoom为Microchip Technology碳化矽事业部技术应用工程师）