Schutz vor Stromversorgungsfehlern in modernen Leistungsarchitekturen

Die zonale Steuerung optimiert Batteriemanagement, Energierückgewinnung und Antriebsstrang-Effizienz in Elektrofahrzeugen. ZCUs regulieren thermische Bedingungen und Sensordaten. Dabei gewährleisten sie eine hohe Zuverlässigkeit auch unter anspruchsvollen Bedingungen wie Überstrom, Überspannung und ESD-Risiken. Kritische Antriebskomponenten wie Fahrmotorumrichter und On-Board-Ladegeräte unterliegen denselben Herausforderungen.

Die ZCU muss robust und zuverlässig unter extremen Bedingungen funktionieren. Bild 2 zeigt ein Blockdiagramm einer typischen ZCU mit empfohlenen Schutzkomponenten für einzelne Schaltkreise. Ein effektiver Schutz der ZCU vor Stromversorgungsfehlern, etwa durch Überstrom aufgrund von Netz- oder Lastkreisfehlern, ist dabei essenziell. Dafür eignen sich reaktionsschnelle Sicherungen oder rückstellbare Polymersicherungen mit positivem Temperaturkoeffizienten. AEC-Q200-qualifizierte Varianten gewährleisten die erforderliche Widerstandsfähigkeit in der Automobilumgebung.

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Spannungsspitzen durch Lastabfälle können induktive Überspannungen verursachen und nachgeschaltete Schaltungen gefährden. Suppressordioden (Transient Voltage Suppressor, TVS) oder Metalloxidvaristoren (MOVs) begrenzen diese Spitzen effektiv. Während MOVs höhere Energien bewältigen, reagieren TVS-Dioden schneller und halten die Spannung auf einem niedrigeren Niveau. Für beide Varianten gibt es AEC-qualifizierte Komponenten. Für einen störungsfreien Betrieb müssen auch die Kommunikations- und Steuerschnittstellen der ZCU zuverlässig vor ESD und Spannungstransienten geschützt werden. ESD-Dioden und polymere ESD-Unterdrücker minimieren diese Risiken. Komponenten mit niedriger Kapazität reduzieren Signalverzerrungen und gewährleisten eine sichere Datenübertragung innerhalb der zonalen Steuerarchitektur.

Das On-Board-Batterieladegerät (OBC), Bild 3, wandelt die Netzwechselspannung in Gleichspannung um. Mit der zunehmenden Verbreitung leistungsstarker, schneller Ladeverfahren, einschließlich Dreiphasenstrom, sind Schutzkomponenten für alle Stromkreisblöcke notwendig. Einige erfordern zudem Steuerelemente zur Effizienzsteigerung. Zusätzlich zu den EV-Transienten ist das OBC auch den Risiken des Wechselstromnetzes ausgesetzt, beispielsweise Überlastung und Spannungsspitzen. Außerdem sind die Kommunikationsschaltungen vor möglicher Datenbeschädigung zu schützen. Gleichzeitig lässt sich die Ladezeit durch geringeren internen Stromverbrauch reduzieren.

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Die Schutzschaltung fängt Transienten wie Blitzeinschläge und Überspannungen in der Wechselstromleitung ab. Eine Sicherung bietet den ersten Überlastschutz. Modelle mit hohem Ausschaltstrom und hoher Spannung lösen bei starker Überlast zuverlässig aus. Zur Überspannungsabsicherung wird ein MOV nahe den Eingangsanschlüssen des Ladegeräts platziert. Er absorbiert die transiente Energie und schützt nachgeschaltete Schaltkreise. Nutzt das OBC Dreiphasenstrom, sollten MOVs zwischen den Phasen sowie zum Neutralleiter eingesetzt werden.

Ein zusätzlicher bipolarer Thyristor in Reihe mit dem MOV verbessert den Schutz nachgeschalteter Schaltungen. Durch seine niedrige Klemmspannung und hohe Stoßstrombelastbarkeit ermöglicht er den Einsatz eines MOVs mit niedrigerer Abschaltspannung. Dies reduziert die transienten Spitzenspannungen, denen die nachgeschaltete Schaltung kurzfristig ausgesetzt ist. Eine Gasentladungsröhre (Gas Discharge Tube, GDT) gewährleistet zusätzlichen Schutz, indem sie hohe elektrische Isolation zwischen Heiß- und Neutralleitern sowie der Fahrgestellmasse bietet. Dadurch werden schnell ansteigende Transienten, etwa durch Blitzeinschläge, effektiv abgefangen. Ein Fehlerstrommonitor erkennt AC/DC-Leckströme oder Isolationsfehler, wobei Modelle DC-Differenzen ab 6 mA und AC-Differenzen ab 10 mA entdecken. Für den Gleichrichterblock sind hochstromfeste Thyristoren erforderlich, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen und Einschaltstromspitzen durch Schutz- und EMI-Filterstufen sicher zu bewältigen.

Die Leistungsfaktor-Korrekturschaltung optimiert den Wirkungsgrad, indem sie die AC-Leistungsaufnahme reduziert. Die Induktivitätsregelung erfolgt über einen Gate-Treiber und einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT). Ein Treiber mit geeignetem Spannungsbereich, hoher Latch-up-Festigkeit und schnellen Schaltzeiten minimiert die Verlustleistung. Der ESD-Schutz kann durch eine eingebaute oder externe ESD-Diode sichergestellt werden, die Transienten bis zu 30 kV abfängt. Die DC/DC-Schaltung erhöht die Ladespannung und liefert Strom für die Batterie. Um di/dt-Effekte zu reduzieren und Leistungs-IGBTs vor Spannungstransienten zu schützen, wird eine TVS-Diode zwischen Kollektor und Gate geschaltet. Diese als aktive Klemmung bezeichnete Technik stabilisiert den IGBT. Einige IGBTs verfügen bereits über integrierte Klemm-TVS-Dioden.

Beim Ein- und Ausschalten der Motoren oder bei einer Stromunterbrechung durch Kabelbruch kann ein Schutz gegen Überlast und Spannungsspitzen im Fahrzeug erforderlich sein. In manchen Fällen übernimmt dies bereits ein eingebautes Modul. Ansonsten schützt eine Sicherung vor Überspannungen durch Kurzschlüsse in der Batterie oder den Verbindungskabeln. MOV- oder TVS-Dioden verhindern potenziell schädliche Spannungstransienten.

Die Steuereinheit des Ladegeräts kommuniziert mit der ZCU. Um eine Beschädigung des Kommunikationsschaltungsblocks und eine Verfälschung der Daten zu vermeiden, ist ein ESD- und Transientenschutz für die Ein- und Ausgangsleitungen empfehlenswert. Die ESD-Diode, die den CAN-Bus der ZCU absichert, lässt sich auch zum Schutz der E/A-Leitungen der Steuereinheit verwenden. Durch die Implementierung dieser Schutzstrategien können Entwickler ein robustes OBC bereitstellen, das gegen elektrische Gefahren resistent ist. Bild 3 gibt einen Überblick über die geeigneten Komponenten.

Der Fahrmotorumrichter wandelt den Gleichstrom aus der Batterie in Wechselstrom zum Antrieb des Fahrmotors um. Der Betrieb dieses Schaltungsblocks gewährleistet einen sicheren, effizienten und zuverlässigen Antrieb. Bild 4 zeigt die Schaltkreisblöcke des Fahrmotorumrichters, und die Tabelle auf der rechten Seite listet die empfohlenen Schutz-, Steuer- und Messkomponenten auf.

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Sowohl die Stromversorgung des ZCU-Schaltkreises als auch die des Fahrumrichters müssen mit einer Sicherung und einer TVS-Diode vor Überstrom und Spannungsspitzen geschützt werden. Der CAN-Transceiver erfordert ein ESD-Diodenarray zum Schutz vor ESD-Entladungen. Der für die CAN/CAN- FD-Schaltung in der ZCU empfohlene TVS-Diodenarray schützt auch diesen Schaltkreis. Der Gate-Treiber steuert die Leistungstransistoren, darunter IGBTs und SiC-MOSFETs, um die Verlustleistung zu minimieren und den Wirkungsgrad zu maximieren. Zum Schutz der Gate-Treiber-ICs absorbieren ESD-Diodenarrays zuverlässig elektrostatische Entladungen. Der Umrichter erzeugt die Antriebsleistung für den Fahrmotor. Um einen zuverlässigen Betrieb des Umrichters zu gewährleisten, sind die Leistungstransistoren gegen Überstrom, Spannungsspitzen und Überhitzung zu schützen. Damit die Leistungstransistoren nicht bei gefährlich hohen Temperaturen betrieben werden, ist etwa ein Thermoschutz erforderlich, der die Stromzufuhr zum Leistungstransistorkreis unterbricht.

Eine TVS-Diode zwischen Gate und Source schützt SiC-MOSFETs vor transienten Überspannungen. Bei IGBTs verhindert eine TVS-Diode zwischen Kollektor und Gate eine Beschädigung des IGBTs durch einen transienten Spannungsanstieg am Kollektor. Die TVS-Diode klemmt die Kollektor-Gate-Spannung auf ein für den IGBT sicheres Niveau. So schützt eine aktive Klemmtechnik IGBTs in der OBC-Schaltung. Die Überwachung des Motorlaststroms gibt Aufschluss über den Motorzustand. Eine verbreitete Methode ist die Messung per Hall-Effekt-Stromsensor, der den Laststrom magnetisch erfasst. Dabei führt die Laststromleitung durch eine Öffnung oder unter den Sensor, wodurch der Strom isoliert überwacht wird - ohne zusätzliche Verlustleistung im Stromkreis.

Die Umstellung auf eine zonale Steuerungsarchitektur erfordert eine hohe Zuverlässigkeit von ZCUs, On-Board-Ladegeräten und Fahrmotorumrichtern für optimale Sicherheit und Effizienz. Komponenten für den Schutz gegen Überstrom, Überspannung und Hitze verlängern die Lebensdauer in anspruchsvollen Umgebungen. Die Zusammenarbeit mit Anwendungstechnikern von Elektronikherstellern wie Littelfuse verbessert die Entwicklung durch wertvolle Empfehlungen für kosteneffiziente Schutz-, Steuerungs- und Sensorlösungen. Zudem erleichtert sie die Einhaltung von Automobilstandards durch Pre-Compliance-Tests und verkürzt die Zertifizierungszeiten.