汽車應(yīng)用中的電流隔離

電動(dòng)和混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(EV 和 HEV)在全球范圍內(nèi)的普及，它們必須承受比汽油動(dòng)力汽車更高的工作電壓和電流，這凸顯了電氣隔離對(duì)汽車設(shè)計(jì)的重要性。汽車的電氣化要求使用大功率設(shè)備——特別是電池、逆變器和再生制動(dòng)系統(tǒng)——它們與數(shù)字控制電路的接口需要采用適當(dāng)?shù)碾娏鞲綦x技術(shù)。

簡(jiǎn)而言之，電流隔離是指兩個(gè)電路之間的電氣隔離，當(dāng)將它們分開(kāi)的絕緣電阻是無(wú)限大或非常高時(shí)會(huì)發(fā)生這種情況：兩個(gè)電路之間沒(méi)有電氣連接。

為什么要進(jìn)行電流隔離?

在 EV 和 HEV 中，當(dāng)兩個(gè)不同電路的接地處于不同的電位時(shí)，需要進(jìn)行電流隔離以防止觸發(fā)危險(xiǎn)的接地回路，這會(huì)產(chǎn)生可能危及車輛安全的噪聲。在這些類型的車輛中流動(dòng)的電流可能對(duì)人類致命，因此必須確保最高程度的安全性。

EV 和 HEV 平臺(tái)一般都使用 48V 電源總線，并配備高壓和高能量密度的電池，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成充電。在 EV 或 HEV 中遇到的第一個(gè)大功率電路是車載充電器 (OBC)，用于為鋰離子 (Li-ion) 電池充電。該充電器包括一個(gè)配備功率因數(shù)校正 (PFC) 電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，并由電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控。BMS 的任務(wù)是安全有效地管理電池的充電和放電過(guò)程，監(jiān)控電池的健康狀態(tài)。

電氣或電流隔離是在不同電位的兩個(gè)點(diǎn)之間不發(fā)生直流循環(huán)的情況。更準(zhǔn)確地說(shuō)，當(dāng)電能(或信號(hào))仍然可以通過(guò)其他物理現(xiàn)象(例如電磁感應(yīng)、電容耦合或光)交換時(shí)，不可能將電荷載流子從一個(gè)點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn)。這種情況相當(dāng)于兩點(diǎn)之間的無(wú)限電阻，即使在實(shí)踐中 100 MΩ 量級(jí)的電阻就足夠了。

第二個(gè)電源設(shè)備是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)㈦姵靥峁┑碾妷恨D(zhuǎn)換并降低到附件設(shè)備通常使用的 12-V 值。還有一臺(tái)或多臺(tái)輔助逆變器，用于控制空調(diào)系統(tǒng)壓縮機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等輔助系統(tǒng)。最后是主逆變器，用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)并管理再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量為電池充電。所有這些電路都受到峰值電壓可能超過(guò) 400 V 的高強(qiáng)度電流(數(shù)十安培或更高)的影響。

此外，包含邏輯部件(如 OBC)的電路必須與汽車應(yīng)用中常用的低功耗通信總線接口，如控制器局域網(wǎng) (CAN)、本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 和 FlexRay。在這些情況下，電流隔離具有確保車輛電氣安全和保護(hù)其車載低功率電子電路免受危險(xiǎn)電壓和電流水平影響的雙重功能。

可應(yīng)用于電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車的電流隔離產(chǎn)品包括隔離變壓器、光耦合器(也稱為光電耦合器)、基于電容器的半導(dǎo)體隔離器和基于變壓器的半導(dǎo)體隔離器。隔離變壓器利用電磁場(chǎng)將信息從絕緣屏障的一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。光電耦合器通常使用 LED 和光電二極管以光信號(hào)的形式傳輸信息。為了獲得高度絕緣，在 LED 和光電二極管之間插入絕緣膠帶，使器件能夠承受非常高的電壓。

基于半導(dǎo)體的隔離使用一對(duì)差分電容器或基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 的變壓器作為絕緣元件。與光電耦合器相比，基于半導(dǎo)體的隔離器具有許多優(yōu)勢(shì)，包括更高的耐用性、更好的時(shí)間和溫度穩(wěn)定性、更好的抗噪性和更高的開(kāi)關(guān)速率?；诎雽?dǎo)體的隔離特別適用于汽車領(lǐng)域。在汽車平臺(tái)中使用基于寬帶隙材料(如氮化鎵和碳化硅)的組件需要能夠在更高溫度下運(yùn)行并承受高開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的電噪聲的絕緣系統(tǒng)。

在高壓應(yīng)用中，絕緣電阻是決定系統(tǒng)能否安全運(yùn)行的重要因素。必須定期測(cè)量絕緣電阻，因?yàn)樗鼤?huì)因高電壓和熱應(yīng)力而過(guò)早退化。因此，系統(tǒng)具有絕緣電阻測(cè)量功能以監(jiān)測(cè)退化并在發(fā)生故障之前采取預(yù)防措施非常重要。

圖 1：恩智浦 EV/HEV 電機(jī)控制功率逆變器解決方案框圖(圖片來(lái)源：NXP Semiconductors)

產(chǎn)品

NXP Semiconductors 通過(guò)其汽車 HEV/EV 功率逆變器控制參考平臺(tái)，為 EV 牽引電機(jī)和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供完整的解決方案。該參考平臺(tái)的典型應(yīng)用如圖1所示，包括多達(dá)四個(gè)基于多核 32 位 MCU 的板、一個(gè)高級(jí)電機(jī)控制時(shí)序軟件庫(kù)和互連電纜。該參考設(shè)計(jì)可以使用 400V 電源高效驅(qū)動(dòng) 100kW 三相電機(jī)，并在絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 柵極驅(qū)動(dòng)器中集成電流信號(hào)隔離。

英飛凌的 EiceDRIVER 單通道和雙通道汽車 IGBT 驅(qū)動(dòng)器 IC 提供電流隔離和雙向信號(hào)傳輸。據(jù)英飛凌稱，這些產(chǎn)品非常適合汽車應(yīng)用中的主要逆變器系統(tǒng)，在這些應(yīng)用中，效率、節(jié)省空間和監(jiān)控功能是強(qiáng)制性要求。EiceDRIVER 在惡劣的 EMC 環(huán)境中提供穩(wěn)定的運(yùn)行，并通過(guò)其集成的 2-A 輸出級(jí)驅(qū)動(dòng)高達(dá) 100-A/1,200-V 的 IGBT。集電極-發(fā)射極飽和電壓 (V ce(sat) ) 檢測(cè)和有源米勒鉗位功能完善了這個(gè) IGBT 驅(qū)動(dòng)器 IC 系列的布局。

英飛凌的 2ED020I12FA EVALKIT，如圖2所示，是用于 600-V/1,200-V IGBT 的 2ED020I12FA 雙通道隔離 IGBT 驅(qū)動(dòng)器的評(píng)估板。該板允許設(shè)計(jì)人員加速關(guān)鍵汽車項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)階段，評(píng)估 EiceDRIVER 器件系列提供的功能。

圖 2：2ED020I12FA 評(píng)估套件(圖片：英飛凌)

審核編輯：湯梓紅