eFuse

In Elektro- und Hybridfahrzeugen werden Sicherungen – zum Beispiel konventionelle Schmelzsicherungen – zum Schutz von Systemen wie Onboard-Ladegeräten, Hilfssystemen, BMS oder Verteilerkästen verwendet.  

Schmelzsicherungen sind eine konventionelle und weit verbreitete Lösung zum Systemschutz von elektrischen Maschinen, die relativ robust gegen Überstrom sind. SiC- oder GaN-Leistungshalbleitergeräte, die in Onboard-Ladegeräten zum Einsatz kommen, können aber dennoch Schäden davontragen, wenn Kurzschlüsse innerhalb von Mikrosekunden Stromstöße auslösen. Die Genauigkeit des Abschaltstrom und die Auslösezeit von wenigen Millisekunden sind nicht immer ausreichend, um Schäden zu vermeiden. Das neue eFuse-System, das einen solchen Stromstoß, der die Geräte beschädigen könnte, innerhalb von Nanosekunden präzise erkennt und den Strom unterbricht, wird der Schlüssel zum Schutz der Systeme in Elektrofahrzeugen der nächsten Generation sein.   

In diesem Projekt wird ein innovatives eFuse-System vorgestellt, das unter den Testbedingungen bei einem Kurzschlussstrom von 650 A in einem 800-V-System einen drohenden Kurzschluss in unter 160 Nanosekunden erkennt. 

Projektziele

Das eFuse-System ist darauf ausgelegt, mit verschiedene Betriebsarten wie Kurzschlüssen oder Überstrom umgehen zu können und es kann auf drei verschiedene Arten den Schaltkreisen unterbrechen: Kurzschlusserkennung, dl/dt Erkennung und Überstromschutz. Diese Schaltungskonfigurationen ermöglichen eine bessere Steuerung der Stromabschaltung für verschiedene Betriebsarten, was ein flexibleres Schutzsystem als konventionelle Sicherungen ermöglicht.

Eine schnelle und genaue Stromerkennung ist wichtig, damit SiC-, GaN- und andere Leistungshalbleitergeräte vor Schäden durch Kurschlussstrom und anderen Ursachen geschützt werden. In diesem Projekt haben wir einen Sensor der CZ39xx-Serie von Asahi Kasei Microdevices adaptiert, welcher für diese Anwendung mit 4MHz-Bandbreite, weniger als 100 Nanosekunden Reaktionszeit und dem schnellen Abklingen von Schaltgeräuschen ideal ist. Der Sensor verhält sich robust gegenüber starken magnetischen Feldern von mehreren hundert Milli-Tesla. Diese Schaltungen mit den Stromsensoren der CZ39xx-Serie, Peripherieschaltungen einschließlich der Steuerlogik und Halbleiterschaltungen aus SiC-Leistungsbauteilen sind alle auf einer einzigen kompakten Leiterplatte untergebracht.

Daraus ist eFuse entstanden – ein elegantes Schutzgerät, das ohne den Austausch von Bauteilen zurückgesetzt werden kann und das Abschalt-Charakteristiken aufweist, die durch Kurzschlüsse oder Überstrom ausgelöst werden.