熔断器是保护电机系统的众所周知的常见解决方案，并且对过电流具有相对稳健的抵抗力。然而，传统保险丝的精度和响应时间可能不足以保护车载充电器中使用的基于 SiC 和 GaN 的功率半导体器件免受浪涌电流的影响，例如微秒级发生的短路。eFuse 系统可以在纳秒内检测到这些浪涌电流并切断电流，使其成为保护下一代电动汽车 （EV） 系统的关键组件。
热熔断器挑战
在保护系统免受过流影响时，需要考虑一些挑战。
熔断器可以在几十毫秒内中断电流，熔断电流是不准确的。
类似浪涌的电流（例如短路）可能会在保险丝熔断之前损坏设备。
一旦保险丝熔断，系统将无法恢复正常运行，直到更换保险丝。
电动汽车系统由相对坚固的过电流元件组成，包括容易受到短路等浪涌电流损坏的功率半导体器件。
热熔断器今天仍然被广泛使用，它在发生过流时通过熔化内部导体来中断过流。然而，由于其工作原理，熔断保险丝需要几毫秒到几十毫秒才能产生浪涌电流。因此，很难保护半导体功率器件免受短路等微秒级浪涌电流的损坏。有必要考虑和设计一个裕量来保护功率器件以外的组件，因为熔断电流会受到变化和温度依赖性的影响。
一旦保险丝熔断，系统就无法恢复正常运行，因此即使是临时和罕见的浪涌电流，如雷电或短路电流，也不允许系统恢复，直到更换保险丝。解决传统保险丝挑战的带有半导体开关的保护系统更适合保护下一代电动汽车。
概念验证 eFuse 系统
在这个概念验证中，旭化成开发了一种 eFuse 系统，该系统解决了保险丝问题，并提供：
快速的浪涌电流检测
设置电流截止阈值和截止响应时间
使用半导体开关进行电流中断和恢复操作
eFuse 系统旨在处理不同的工作模式，即短路和过流，并在三个电路中生成电流切断触发器：短路检测、dI/dt 检测和过流保护（图 1）。这些电路配置允许针对不同的工作模式进行更好的电流关断控制，从而形成比熔断器更灵活的保护系统。
为了保护 SiC、GaN 和其他半导体功率器件免受短路电流和其他原因的损坏，必须进行快速准确的电流检测。在这里，我们采用了旭化成微电子公司的 CZ39xx 系列电流传感器（图 1），它是该应用的理想选择。其 4 MHz 带宽、小于 100 ns 的响应时间以及快速建立开关噪声的能力使其适合此应用。此外，得益于 III-V 族化合物半导体霍尔元件技术，它在超过数百毫特斯拉的强磁场下具有很强的鲁棒性。
图 1.eFuse 系统图，包括 CZ39xx 系列电流传感器。
这些电路采用 CZ39xx 系列电流传感器、包括控制逻辑在内的外围电路以及由 SiC 功率器件组成的半导体开关安装在一个紧凑的 PCB 上。这导致了 eFuse，这是一种无需更换任何元件的自恢复保护器件，并且具有与异常电流（如短路或过流）的原因相匹配的截止特性。
概念验证结果
图 2a 显示了 eFuse 系统的实际概念验证板。开关器件采用 SiC FET，电路设计为 800 V 增强隔离和高达 1 kA 的短路电流。图 2b 显示了 eFuse 系统的特性曲线。从电流超过阈值到发生检测触发的响应时间的测量结果用红色表示，到电流关闭到 0 A 的响应时间用蓝色表示。在短路模式下，eFuse 系统在浪涌电流超过 80 A 的情况下可实现小于 250 ns 的响应时间。另一方面，小于 80 A 的过电流的响应时间设计为比浪涌电流检测的响应时间慢，以避免不必要的关断。
图 2.（a） 电子保险丝系统的概念验证板和 （b） 电子保险丝系统的特性曲线。图片由 Bodo's Power Systems 提供 [PDF]
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，从过流检测触发点到产生电流截止触发的响应时间小于 160ns。因此，与传统热熔断器相比，eFuse 系统实现了更快的电流检测和电流中断。
