iCoupler技術(shù)為HEV BMS和電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的隔離解決方案資料下載

作者：Baoxing Chen 近年來，為了節(jié)省能源并降低CO2排放，消費(fèi)者開始熱衷于替代燃料汽車，因而混合動(dòng)力汽車(HEV)日益受到青睞。與依靠汽油的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，電動(dòng)馬達(dá)具有更高的能效，并且可以大幅降低排放。電池是HEV的核心所在，但由于可靠性、安全性、重量和成本方面的原因，電池也是阻礙HEV發(fā)展的攔路虎。為了克服這些障礙，必須采用電池監(jiān)控系統(tǒng)，使電池能長時(shí)間安全地工作。由于工作電壓很高，因此需要尖端隔離技術(shù)。 在許多HEV中，電池組電壓可能高達(dá)400V，因此電池監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)設(shè)計(jì)面臨多項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。為了向馬達(dá)傳輸足夠多的功率，如此高的電壓是必需的，但它會(huì)影響從電池單元到微控制器的充電狀態(tài)(SOC)電流和電壓信號的傳輸；微控制器負(fù)責(zé)處理來自所有電池的信息，確保電池組安全工作。為了解決這一問題，BMS采用電流隔離技術(shù)將高壓電池?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)狡嚻渌恢玫牡蛪?a target='_blank' class='arckwlink_none'>電子器件。對于HEV，諸如光耦合器之類的傳統(tǒng)隔離解決方案并不理想，因?yàn)槠湫阅軙?huì)隨著時(shí)間而下降，這種退化效應(yīng)在環(huán)境溫度非常高的汽車應(yīng)用中尤其顯著。另外，光耦合器也沒有足夠的帶寬來處理電池監(jiān)控IC與BMS微控制器之間通常使用的高速串行外設(shè)接口(SPI)。 除了HEV BMS的信號隔離之外，另一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)電源隔離。需要使用硬件保護(hù)系統(tǒng)在電池端提供隔離電源，這樣隔離器就能將過壓等安全信息傳遞至微控制器，從而在發(fā)生硬件故障時(shí)適當(dāng)?shù)仃P(guān)斷系統(tǒng)。安全信息必須是不間斷的，即使發(fā)生電池沒電而無法為電池監(jiān)控IC供電這樣的硬件錯(cuò)誤也不會(huì)受到干擾。 集成isoPower的新型iCoupler數(shù)字隔離器利用片上變壓器提供信號和電源隔離。磁耦合支持跨越隔離柵實(shí)現(xiàn)信號傳輸，而且iCoupler器件的功耗比光耦合器低得多。多通道和數(shù)字接口集成使其非常易于使用，同時(shí)器件數(shù)量和電路板面積也得以減少?；诖篷詈系钠骷阅懿淮嬖跍p損機(jī)制，幾乎不隨時(shí)間和溫度而變化。 集成isoPower的iCoupler技術(shù) iCoupler器件中使用的微變壓器是構(gòu)建于CMOS襯底之上的堆疊繞組，采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝制造而成。夾在微變壓器上下線圈之間的聚酰亞胺膜在晶圓層沉積，提供嚴(yán)格控制的厚度和高結(jié)構(gòu)質(zhì)量。聚酰亞胺膜硬化后，其電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度超過400V/μm。當(dāng)線圈之間的聚酰亞胺層總厚度為20μm時(shí)，器件可以耐受8kV以上的瞬時(shí)交流電壓。由于沉積而成的聚酰亞胺膜沒有空隙，不會(huì)發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，因此iCoupler器件也具有良好的老化特性，非常適合在連續(xù)的交流或直流電壓下工作。聚酰亞胺還具有非常高的熱穩(wěn)定性，失重溫度超過500°C，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為260°C。 跨越隔離柵實(shí)現(xiàn)邏輯信號傳輸?shù)姆椒ㄊ窃谠催呥M(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a，然后在副邊進(jìn)行解碼，以恢復(fù)輸入邏輯信號。具體而言是越過變壓器傳輸約1ns的短脈沖，兩個(gè)連續(xù)短脈沖表示前沿，一個(gè)短脈沖表示下降沿。副邊的不可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測脈沖。如果檢測到兩個(gè)脈沖，則將輸出設(shè)為HIGH（高）。如果只檢測到一個(gè)脈沖，則將輸出設(shè)為LOW（低）。 為了跨越隔離柵傳輸功率，這些微變壓器以諧振頻??反復(fù)開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)高效率能量傳遞。能量調(diào)節(jié)則通過低頻PWM反饋信號實(shí)現(xiàn)，該信號控制高頻諧振動(dòng)作保持接通的占空比。變壓器開關(guān)和用于整流的肖特基二極管均在片上實(shí)現(xiàn)。 圖1顯示一個(gè)完全集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道隔離器實(shí)例，它采用16引腳SOIC封裝。左邊的芯片具備高壓CMOS開關(guān)，右邊的芯片則具備整流二極管和轉(zhuǎn)換器控制器。兩個(gè)交叉耦合開關(guān)與變壓器共同構(gòu)成振蕩電路，肖特基二極管用于快速高效整流。變壓器芯片位于中間。本實(shí)例將變器分散在不同的芯片上，但原則上可以將這些變壓器放在開關(guān)或肖特基二極管所在的同一芯片上。在上方變壓器芯片中，兩個(gè)較大變壓器是電源變壓器，小變壓器則用于傳輸反饋PWM信號。下方變壓器芯片含有該四通道隔離器所用的四個(gè)附加微變壓器。左右芯片還含有該四通道隔離器的編碼和解碼電路。 完全集成的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和隔離收發(fā)器也是HEV隔離所需要的，可以采用類似方式實(shí)現(xiàn)。信號和電源隔離所提供的功能集成可以大大降低HEV應(yīng)用隔離系統(tǒng)的復(fù)雜度和總成本，并縮小整體尺寸。 HEV電池監(jiān)控系統(tǒng)的隔離 HEV利用電池驅(qū)動(dòng)電動(dòng)馬達(dá)，與電池相關(guān)的成本、重量和安全問題是影響HEV發(fā)展的一大障礙。監(jiān)控各個(gè)電池的充電狀態(tài)(SOC)和運(yùn)行狀態(tài)(SOH)具有極其重要的意義。電池監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)對于確保電池組安全工作并盡可能延長使用時(shí)間至關(guān)重要。 圖2顯示HEV BMS的一個(gè)實(shí)例。AD7280等電池監(jiān)控器IC監(jiān)控電池組的SOC，并通過SPI接口與控制器通信。SPI接口通過一個(gè)集成500mW隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道隔離器ADuM5401實(shí)現(xiàn)隔離。除電池監(jiān)控器IC外，通常還會(huì)使用一個(gè)冗余硬件保護(hù)系統(tǒng)，確保電池電壓在安全工作范圍內(nèi)。發(fā)生硬件錯(cuò)誤時(shí)，硬件保護(hù)系統(tǒng)能夠通過一個(gè)雙通道隔離器ADuM1201與微控制器通信，并適當(dāng)關(guān)斷相關(guān)系統(tǒng)組件。如果電池監(jiān)控器IC需要5個(gè)以上的隔離通道，可以使用ADuM130x和ADuM140x等通道數(shù)更高的器件。這里，IsoPower發(fā)揮著重要作用，因?yàn)槲覀冃枰_保系統(tǒng)保護(hù)充分到位，即使電池沒電時(shí)也能提供保護(hù)。500mW隔離電源可以用來為硬件保護(hù)IC和電池端的隔離器供電。如果電池端電極未提供為電池監(jiān)控器IC內(nèi)部的ADC供電的內(nèi)部調(diào)節(jié)器，該隔離電源還可以為ADC供電。 如果需要多個(gè)電池監(jiān)控器IC，可以為每個(gè)電池組實(shí)施專用隔離，特別是當(dāng)各電池組有其自己的模塊時(shí)。另一種解決方案是利用AD7280等電池監(jiān)控器IC的菊花鏈功能，這樣無需隔離便可將SPI命令經(jīng)由多個(gè)電池監(jiān)控器IC傳遞出去。只有底部電池組監(jiān)控器IC需要通過隔離接口與BMS控制器通信。BMS控制器還需要通過汽車主CAN總線與其它系統(tǒng)控制器通信。ADuM1201或ADuM5201可以用來提供BMS控制器與CAN收發(fā)器之間的隔離。ADuM5201還有一個(gè)優(yōu)勢，可以從BMS控制器向CAN收發(fā)器提供隔離電源。 HEV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的隔離 當(dāng)然，HEV最重要的部件是電動(dòng)馬達(dá)，正是它提高了某些駕駛條件下的效率，從而優(yōu)于內(nèi)燃機(jī)。電動(dòng)馬達(dá)的隔離需求與工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的情況非常相似。不過，電動(dòng)馬達(dá)有一些特殊要求。用來驅(qū)動(dòng)HEV電動(dòng)馬達(dá)的逆變器必須更為緊湊，重量更輕，具有高效率，并且高度可靠。此外，它還必須能在高溫下工作。 圖1. 集成isoPower的iCoupler技術(shù)圖2. HEV BMS的隔離實(shí)現(xiàn)方案 在HEV的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，主要有兩部分電路需要隔離。一是橋式逆變器的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)，二是馬達(dá)相位電流檢測。相位電流檢測提供IGBT器件保護(hù)和線性電流反饋信息，以便控制器維持閉環(huán)電流控制。通常使用串聯(lián)分流電阻和逆變器輸出端的高精度ADC來檢測相位電流。為電流檢測ADC和柵極驅(qū)動(dòng)電路提供偏置需要隔離電源，并且各相需要單獨(dú)的電源。使用iCoupler器件可以大大簡化交流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的復(fù)雜信號和電源隔離需求。 圖3顯示一個(gè)低功率馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的實(shí)例。ADuM5230是集成200mW高端15V電源的半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，它為高端和低端IGBT各提供一個(gè)隔離的15V柵極驅(qū)動(dòng)輸出。低端隔離保護(hù)控制器，以免來自大IGBT開關(guān)的感應(yīng)開關(guān)瞬變損壞控制器。通過集成DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的15V高端電源驅(qū)動(dòng)大IGBT的緩沖電路供電，它也可以配合齊納二極管使用，產(chǎn)生3V至5V低壓電源，為AD7401等電流檢測ADC供電。 AD7401是一款隔離的二階Σ-Δ調(diào)制器，用于將模擬輸入轉(zhuǎn)換為高速單比特?cái)?shù)據(jù)流，以便直接與控制器接口。它接收來自控制器的時(shí)鐘信號，同時(shí)將時(shí)控?cái)?shù)據(jù)流送回控制器。如果沒有集成ADC，則需要多個(gè)光耦合器，而慢速光耦合器一般并不適合傳輸如此高速的數(shù)據(jù)流。高端柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測ADC的地均以可迅速切換的逆變器輸出為參考。具有高共模瞬變抑制性能的iCoupler隔離對于保持高端開關(guān)和電流檢測的數(shù)據(jù)完整性非常重要。 圖3中的紅色虛線顯示隔離柵的位置；藍(lán)框中的電路器件可以復(fù)制，用于其它相位的橋式逆變器。逆變器輸出需要彼此隔離，可以使用多個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。每個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生自己的柵極驅(qū)動(dòng)信號和高端電源。 為實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)，HEV通常使用智能電源模塊。圖4顯示利用智能柵極驅(qū)動(dòng)模塊的HEV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案。六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號一般通過邏輯隔離器隔離，并且向一個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)模塊提供輸入，該驅(qū)動(dòng)模塊為高端IGBT器件提供電平轉(zhuǎn)換或隔離。邏輯隔離有利于控制器與直流鏈路地之間的通信，例如將直流鏈路電壓或電流檢測信息傳遞至控制器。 與ADuM5401相似，ADuM5400也是一款集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道隔離器，可提供最高500mW的隔離電源。它將6個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號中的4個(gè)與控制器隔離。另一個(gè)四通道隔離器ADuM1401為其余2個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號提供隔離。未使用的兩個(gè)隔離通道可以用于控制器與非隔離ADC（例如用于檢測HVDC電壓）之間的串行通信。ADuM5400提供的500mW隔離電源可以用來為任何以低端地為參考的邏輯電路供電，例如用于電壓檢測的ADuM1401輸出端。 圖3. 使用隔離半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的HEV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案圖4. 使用隔離柵極驅(qū)動(dòng)模塊的HEV馬達(dá)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案 結(jié)論 總而言之，iCoupler技術(shù)可以為HEV BMS和電動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的隔離解決方案。與其它隔離解決方案相比，它消除了許多限制。它在單個(gè)封裝中提供完整的隔離解決方案，從而能顯著降低器件數(shù)量和系統(tǒng)成本，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并且縮短遞增的設(shè)計(jì)時(shí)間。iCoupler技術(shù)使HEV效率更高、更為緊湊、重量更輕、更加可靠。 (mbbeetchina)