理解電動(dòng)汽車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用

1、理解電動(dòng)汽車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用理解電動(dòng)汽車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用全球汽車制造商（ OEM ）都在宣布推出新型電動(dòng)汽車（EV ）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV ）和 48V 輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 （MHEV ）的積極計(jì)劃。 純電動(dòng)汽車正在實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的增長(zhǎng)率。 48V MHEV 系統(tǒng)正在崛起，將為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)（ ICE）上的發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)帶來(lái)電氣化。48V 輕型混合動(dòng)力設(shè)計(jì)的低成本及其改造現(xiàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)的能力將進(jìn)一步加速對(duì)汽車應(yīng)用中功率電子設(shè)備的需求。隨著汽車設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向電氣化， 高瓦數(shù)功率電子設(shè)備成為新型電子傳動(dòng)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。這些高瓦數(shù)電子設(shè)備需要與低壓數(shù)字控制器通信并由其控制，這需要在控制器和電力系統(tǒng)之

2、間進(jìn)行電氣隔離。在這些應(yīng)用中，電流隔離（通常是基于半導(dǎo)體的隔離）是必須的，以允許數(shù)字控制器安全地和現(xiàn)代EV 高壓系統(tǒng)進(jìn)行連接。EV 系統(tǒng)概述為了與傳統(tǒng)的 ICE 車輛進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，EV/HEV 中使用的電池必須具有非常高的能量存儲(chǔ)密度，接近零自泄漏電流并且能夠在幾分鐘而不是幾小時(shí)內(nèi)充電。此外，電池管理和相關(guān)的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須具有最小化尺寸和重量，并且在向電動(dòng)機(jī)提供大量的高效供電的時(shí)候“啜飲”電池電流?，F(xiàn)代EV/HEV設(shè)計(jì)在傳動(dòng)系統(tǒng)和能量存儲(chǔ)/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用模塊化部件。EV/HEV 電池管理系統(tǒng)通常包括四個(gè)主要電路組件：車載充電器（ OBC）：鋰離子電池提供的能量存儲(chǔ)由車載充電器進(jìn)行充電，該充電器由

3、具有功率因數(shù)校正的交流-直流轉(zhuǎn)換器組成，并由電池管理系統(tǒng)監(jiān)控。電池管理系統(tǒng)（ BMS）：電池單元由BMS 監(jiān)控和管理，以確保高效和安全。BMS 控制各個(gè)電池的充電、健康狀態(tài)、放電深度和調(diào)節(jié)。主逆變器：主逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，用于再生制動(dòng)，并將能量返回到電池。圖 1 展示了這些系統(tǒng)以及需要在EV 中控制或通信的許多其他子系統(tǒng)。圖 1 汽車 EV 系統(tǒng)架構(gòu)示例EV 系統(tǒng)需要強(qiáng)大的高性能隔離，以便與數(shù)字控制器連接，從而可以保護(hù)它們免受高達(dá)300V 以上電壓的影響。這些子系統(tǒng)，例如圖2 中所示的 OBC，通常通過(guò)CAN 總線進(jìn)行控制， CAN 總線同樣需要與車輛中的其他子系統(tǒng)隔離。由于高電流和電氣開(kāi)關(guān)，

4、EV 中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接環(huán)境下將數(shù)字通信信號(hào)發(fā)送到位于高壓子系統(tǒng)中的其他組件。 此外，高壓功率晶體管需要由低壓控制器控制和隔離，低壓控制器還需要測(cè)量系統(tǒng)中其他高壓部分的電流或電壓。 EV 之外的其他系統(tǒng)，例如充電樁，具有類似的系統(tǒng)要求和隔離需求。表 1 中所示的隔離元器件經(jīng)常用于EV 系統(tǒng)中的通信和控制。表 1 電動(dòng)車輛系統(tǒng)中使用的隔離元器件雖然在電動(dòng)汽車中已經(jīng)使用了不同類型的隔離技術(shù)， 但制造商正越來(lái)越多地轉(zhuǎn)向基于半導(dǎo)體的現(xiàn)代隔離技術(shù)， 而不再使用基于光耦合器的舊解決方案。 與光耦合器在要求苛刻的汽車應(yīng)用中相比，這些現(xiàn)代隔離器具有許多優(yōu)勢(shì)，包括更長(zhǎng)的使用壽命、顯著提高的溫度和

5、老化的穩(wěn)定性、更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的抗噪性。隨著汽車供應(yīng)商采用寬帶隙功率晶體管（如氮化鎵（GaN）或碳化硅（ SiC）去滿足不斷增加的功率密度，基于半導(dǎo)體的隔離的優(yōu)勢(shì)變得至關(guān)重要。這些GaN 或 SiC 系統(tǒng)通常使用更高的開(kāi)關(guān)速度來(lái)減小系統(tǒng)磁性材料的尺寸，但是會(huì)導(dǎo)致顯著的更高電噪聲。半導(dǎo)體隔離是應(yīng)對(duì)這些更高速度和更高嘈雜環(huán)境的理想選擇?？s小這些系統(tǒng)的尺寸并增加功率密度會(huì)使工作溫度升高，這會(huì)使光耦合器過(guò)應(yīng)力并降低其性能?；诎雽?dǎo)體的隔離在這些更高的溫度范圍內(nèi)具有明顯更好的性能和可靠性，這使其成為汽車 EV 設(shè)計(jì)的理想選擇。車載充電器（ OBC）概述OBC 系統(tǒng)（參見(jiàn)圖2 中的簡(jiǎn)化框圖）負(fù)責(zé)將標(biāo)準(zhǔn)

6、交流充電源轉(zhuǎn)換為用于對(duì)車輛中的電池組充電的直流電壓。此外，OBC 還執(zhí)行其他關(guān)鍵功能，如電壓監(jiān)控和保護(hù)。圖 2 車載充電器系統(tǒng)示例OBC 系統(tǒng)采用交流輸入源，通過(guò)全波整流器將其轉(zhuǎn)換為高壓直流總線電壓，并提供功率因數(shù)校正（ PFC）。產(chǎn)生的直流信號(hào)被斬波成開(kāi)關(guān)方波，用于驅(qū)動(dòng)變壓器以產(chǎn)生所需的直流輸出電壓。輸入信號(hào)的斬波由隔離柵極驅(qū)動(dòng)器（例如Silicon Labs 的 Si8239x 器件）完成。在隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的控制下，可以使用同步場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）將輸出電壓濾波成最終直流電壓。使用隔離的模擬傳感器 （如 SiliconLabs 的 Si892x 器件），輸出電壓能夠被監(jiān)視，以向系統(tǒng)控制器

7、提供閉環(huán)反饋。整個(gè)系統(tǒng)可以通過(guò)隔離的CAN 總線進(jìn)行監(jiān)控。 CAN 總線通過(guò)數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，這些隔離器有時(shí)也帶有集成的DC/DC 電源轉(zhuǎn)換器，例如Silicon Labs 的 Si86xx 和 Si88xx 隔離器。電池管理系統(tǒng)（ BMS）和 CAN 總線如圖 3 所示，這個(gè)簡(jiǎn)化的 BMS 系統(tǒng)展示了在與一個(gè) EV 子系統(tǒng)進(jìn)行連接時(shí)信號(hào)和電源隔離的重要性。在大多數(shù) EV 子系統(tǒng)中， CAN 總線通過(guò)數(shù)字隔離與該子系統(tǒng)中的高壓隔離。現(xiàn)代數(shù)字隔離兩側(cè)各需要一個(gè)電源為隔離器供電（高壓域和低壓域） 。該電源也可為連接到隔離器的其他設(shè)備供電，例如 CAN 總線收發(fā)器。在圖 3 中，高壓域是電池組一側(cè)

8、， 低壓域是 CAN 收發(fā)器一側(cè)。 此示例主要關(guān)注 CAN 總線接口，但微控制器（ MCU ）和電池組本身之間可能有額外的隔離。圖 3 電池管理系統(tǒng)通信接口通過(guò)使用集成DC-DC 轉(zhuǎn)換器的全隔離解決方案，開(kāi)發(fā)人員可以減小整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜性。這些具有集成功率轉(zhuǎn)換器的隔離解決方案可用于車輛中的許多包含CAN總線收發(fā)器的子系統(tǒng)。牽引馬達(dá)系統(tǒng)中的隔離為車輪提供動(dòng)力是EV 的最后階段，這需要將幾個(gè)關(guān)鍵的隔離元器件整合到設(shè)計(jì)中。牽引馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要獲取電池的高壓直流輸出并驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)。大多數(shù)電動(dòng)車輛中的牽引馬達(dá)是交流感應(yīng)式的。 為了驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，牽引馬達(dá)控制器必須從電池組產(chǎn)生的高壓直流電源線上合成出可

9、變交流波形。這些系統(tǒng)需要在馬達(dá)控制器和功率晶體管之間采用隔離驅(qū)動(dòng)器。隔離允許低壓控制器安全地開(kāi)關(guān)高功率晶體管以產(chǎn)生交流波形。此外，馬達(dá)控制系統(tǒng)中可能存在隔離的CAN 總線，并且有某些方法可以感測(cè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電流，以監(jiān)控速度和轉(zhuǎn)矩。圖4 展示了一個(gè)使用一系列數(shù)字隔離設(shè)備的簡(jiǎn)化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)。圖 4 簡(jiǎn)化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)其他汽車隔離注意事項(xiàng)汽車電子必須滿足比工業(yè)系統(tǒng)更嚴(yán)格的測(cè)試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)汽車客戶需要更嚴(yán)格的AECQ-100 認(rèn)證、 ISO/TS16949 審核合規(guī)、擴(kuò)展的工作溫度范圍（-40至 +125）和極低的缺陷率。這些提高的需求意味著汽車電子供應(yīng)商需要采取額外措施來(lái)確保其組件能夠滿足其客戶的需求。需要在晶圓廠、器件封裝和最終組裝中進(jìn)行額外的質(zhì)量控制。為了提供真正的汽車級(jí)器件，這些提高的器件參數(shù)也必須得到質(zhì)量體系和文檔的支持，例如零件生產(chǎn)批準(zhǔn)程序（PPAP）、國(guó)際材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)（IMDS ）和中國(guó)汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)（ CAMDS ）。結(jié)論汽車行業(yè)電氣化的競(jìng)爭(zhēng)正在加速，每年都有更多車輛來(lái)自更多不同制造商。電動(dòng)汽車的數(shù)量和類型的增加為電子供應(yīng)商創(chuàng)造了在車輛電力電子系統(tǒng)中增加其設(shè)備占有率的機(jī)會(huì)。這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的高電壓和噪聲環(huán)境需要強(qiáng)大的高性能電流隔離，以確保安全可靠的運(yùn)行。由于不斷提高的瓦數(shù)和縮小的EV 子系統(tǒng)