【導讀】Silicon Labs副總裁兼電源產(chǎn)品總經(jīng)理Ross Sabolcik近日分享關(guān)于電動(dòng)汽車(chē)系統中的隔離應用理解。在這些應用中，電流隔離（通常是基于半導體的隔離）是必須的，以允許數字控制器安全地和現代EV高壓系統進(jìn)行連接。
全球汽車(chē)制造商（OEM）都在宣布推出新型電動(dòng)汽車(chē)（EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（HEV）和48V輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)（MHEV）的積極計劃。純電動(dòng)汽車(chē)正在實(shí)現兩位數的增長(cháng)率。48V MHEV系統正在崛起，將為標準內燃機（ICE）上的發(fā)動(dòng)機子系統帶來(lái)電氣化。48V輕型混合動(dòng)力設計的低成本及其改造現有傳動(dòng)系統的能力將進(jìn)一步加速對汽車(chē)應用中功率電子設備的需求。
隨著(zhù)汽車(chē)設計轉向電氣化，高瓦數功率電子設備成為新型電子傳動(dòng)系統和電池系統的關(guān)鍵部件。這些高瓦數電子設備需要與低壓數字控制器通信并由其控制，這需要在控制器和電力系統之間進(jìn)行電氣隔離。在這些應用中，電流隔離（通常是基于半導體的隔離）是必須的，以允許數字控制器安全地和現代EV高壓系統進(jìn)行連接。
EV系統概述
為了與傳統的ICE車(chē)輛進(jìn)行競爭，EV/HEV中使用的電池必須具有非常高的能量存儲密度，接近零自泄漏電流并且能夠在幾分鐘而不是幾小時(shí)內充電。此外，電池管理和相關(guān)的電源轉換系統必須具有最小化尺寸和重量，并且在向電動(dòng)機提供大量的高效供電的時(shí)候“啜飲”電池電流?，F代EV/HEV設計在傳動(dòng)系統和能量存儲/轉換系統中使用模塊化部件。EV/HEV電池管理系統通常包括四個(gè)主要電路組件：
· 車(chē)載充電器（OBC）：鋰離子電池提供的能量存儲由車(chē)載充電器進(jìn)行充電，該充電器由具有功率因數校正的交流-直流轉換器組成，并由電池管理系統監控。
· 電池管理系統（BMS）：電池單元由BMS監控和管理，以確保高效和安全。BMS控制各個(gè)電池的充電、健康狀態(tài)、放電深度和調節。
· DC/DC轉換器：DC/DC轉換器將高壓電池連接到內部12V直流網(wǎng)絡(luò )，該網(wǎng)絡(luò )為配件提供電源并向本地開(kāi)關(guān)轉換器提供偏置。
· 主逆變器：主逆變器驅動(dòng)電動(dòng)機，用于再生制動(dòng)，并將能量返回到電池。
圖1展示了這些系統以及需要在EV中控制或通信的許多其他子系統。
圖1：汽車(chē)EV系統架構示例
EV系統需要強大的高性能隔離，以便與數字控制器連接，從而可以保護它們免受高達300V以上電壓的影響。這些子系統，例如圖2中所示的OBC，通常通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行控制，CAN總線(xiàn)同樣需要與車(chē)輛中的其他子系統隔離。
由于高電流和電氣開(kāi)關(guān)，EV中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接環(huán)境下將數字通信信號發(fā)送到位于高壓子系統中的其他組件。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量系統中其他高壓部分的電流或電壓。
EV之外的其他系統，例如充電樁，具有類(lèi)似的系統要求和隔離需求。
表1中所示的隔離元器件經(jīng)常用于EV系統中的通信和控制。
表1：電動(dòng)車(chē)輛系統中使用的隔離元器件
雖然在電動(dòng)汽車(chē)中已經(jīng)使用了不同類(lèi)型的隔離技術(shù)，但制造商正越來(lái)越多地轉向基于半導體的現代隔離技術(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(chē)應用中相比，這些現代隔離器具有許多優(yōu)勢，包括更長(cháng)的使用壽命、顯著(zhù)提高的溫度和老化的穩定性、更快的開(kāi)關(guān)速度和更高的抗噪性。
隨著(zhù)汽車(chē)供應商采用寬帶隙功率晶體管（如氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC））去滿(mǎn)足不斷增加的功率密度，基于半導體的隔離的優(yōu)勢變得至關(guān)重要。這些GaN或SiC系統通常使用更高的開(kāi)關(guān)速度來(lái)減小系統磁性材料的尺寸，但是會(huì )導致顯著(zhù)的更高電噪聲。半導體隔離是應對這些更高速度和更高嘈雜環(huán)境的理想選擇。
縮小這些系統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)應力并降低其性能?；诎雽w的隔離在這些更高的溫度范圍內具有明顯更好的性能和可靠性，這使其成為汽車(chē)EV設計的理想選擇。
車(chē)載充電器（OBC）概述
OBC系統（參見(jiàn)圖2中的簡(jiǎn)化框圖）負責將標準交流充電源轉換為用于對車(chē)輛中的電池組充電的直流電壓。此外，OBC還執行其他關(guān)鍵功能，如電壓監控和保護。
圖2：車(chē)載充電器系統示例
OBC系統采用交流輸入源，通過(guò)全波整流器將其轉換為高壓直流總線(xiàn)電壓，并提供功率因數校正（PFC）。產(chǎn)生的直流信號被斬波成開(kāi)關(guān)方波，用于驅動(dòng)變壓器以產(chǎn)生所需的直流輸出電壓。輸入信號的斬波由隔離柵極驅動(dòng)器（例如Silicon Labs的Si8239x器件）完成。
在隔離柵極驅動(dòng)器的控制下，可以使用同步場(chǎng)效應晶體管（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Silicon Labs的Si892x器件），輸出電壓能夠被監視，以向系統控制器提供閉環(huán)反饋。
整個(gè)系統可以通過(guò)隔離的CAN總線(xiàn)進(jìn)行監控。CAN總線(xiàn)通過(guò)數字隔離器進(jìn)行隔離，這些隔離器有時(shí)也帶有集成的DC/DC電源轉換器，例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔離器。
電池管理系統（BMS）和CAN總線(xiàn)
如圖3所示，這個(gè)簡(jiǎn)化的BMS系統展示了在與一個(gè)EV子系統進(jìn)行連接時(shí)信號和電源隔離的重要性。在大多數EV子系統中，CAN總線(xiàn)通過(guò)數字隔離與該子系統中的高壓隔離?，F代數字隔離兩側各需要一個(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備供電，例如CAN總線(xiàn)收發(fā)器。
在圖3中，高壓域是電池組一側，低壓域是CAN收發(fā)器一側。此示例主要關(guān)注CAN總線(xiàn)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：電池管理系統通信接口
通過(guò)使用集成DC-DC轉換器的全隔離解決方案，開(kāi)發(fā)人員可以減小整個(gè)系統設計的規模和復雜性。這些具有集成功率轉換器的隔離解決方案可用于車(chē)輛中的許多包含CAN總線(xiàn)收發(fā)器的子系統。
牽引馬達系統中的隔離
為車(chē)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計中。牽引馬達驅動(dòng)系統需要獲取電池的高壓直流輸出并驅動(dòng)牽引馬達。大多數電動(dòng)車(chē)輛中的牽引馬達是交流感應式的。為了驅動(dòng)馬達，牽引馬達控制器必須從電池組產(chǎn)生的高壓直流電源線(xiàn)上合成出可變交流波形。
這些系統需要在馬達控制器和功率晶體管之間采用隔離驅動(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，馬達控制系統中可能存在隔離的CAN總線(xiàn)，并且有某些方法可以感測驅動(dòng)馬達的電流，以監控速度和轉矩。圖4展示了一個(gè)使用一系列數字隔離設備的簡(jiǎn)化的牽引馬達控制系統。
圖4：簡(jiǎn)化的牽引馬達控制系統
其他汽車(chē)隔離注意事項
汽車(chē)電子必須滿(mǎn)足比工業(yè)系統更嚴格的測試和質(zhì)量標準。大多數汽車(chē)客戶(hù)需要更嚴格的AECQ-100認證、ISO/TS16949審核合規、擴展的工作溫度范圍（-40℃至+125℃）和極低的缺陷率。
這些提高的需求意味著(zhù)汽車(chē)電子供應商需要采取額外措施來(lái)確保其組件能夠滿(mǎn)足其客戶(hù)的需求。需要在晶圓廠(chǎng)、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(chē)級器件，這些提高的器件參數也必須得到質(zhì)量體系和文檔的支持，例如零件生產(chǎn)批準程序（PPAP）、國際材料數據系統（IMDS）和中國汽車(chē)材料數據系統（CAMDS）。
結論
汽車(chē)行業(yè)電氣化的競爭正在加速，每年都有更多車(chē)輛來(lái)自更多不同制造商。電動(dòng)汽車(chē)的數量和類(lèi)型的增加為電子供應商創(chuàng )造了在車(chē)輛電力電子系統中增加其設備占有率的機會(huì )。這些驅動(dòng)系統中的高電壓和噪聲環(huán)境需要強大的高性能電流隔離，以確保安全可靠的運行。由于不斷提高的瓦數和縮小的EV子系統尺寸而帶來(lái)的持續增加的功率密度產(chǎn)生了苛刻的熱和電噪聲條件?；诎雽w的隔離與傳統的光耦合器解決方案相比具有明顯的優(yōu)勢，這使其成為這些要求苛刻的EV應用的理想選擇。
與工業(yè)客戶(hù)相比，汽車(chē)客戶(hù)需要更寬的工作溫度、更高的質(zhì)量和更嚴格的文檔和系統。能夠滿(mǎn)足所有這些需求的電子產(chǎn)品供應商正準備好迎接即將到來(lái)的EV浪潮。
關(guān)于作者
Ross Sabolcik
Silicon Labs副總裁兼電源產(chǎn)品總經(jīng)理
Ross Sabolcik是Silicon Labs副總裁兼電源產(chǎn)品總經(jīng)理，負責監理公司的數字隔離器、隔離柵極驅動(dòng)器、隔離FET驅動(dòng)器、電流傳感器和以太網(wǎng)供電（PoE）產(chǎn)品。這些產(chǎn)品廣泛用于工業(yè)、綠色能源、汽車(chē)和消費電子應用。Sabolcik先生于1999年加入Silicon Labs，并擔任過(guò)公司sub-GHz無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的營(yíng)銷(xiāo)總監、廣播產(chǎn)品的應用和系統工程總監、有線(xiàn)產(chǎn)品應用工程總監，以及有線(xiàn)產(chǎn)品的應用工程經(jīng)理。在加入Silicon Labs之前，Sabolcik先生曾在National Instruments工作，負責管理嵌入式軟件的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，以及精密PC儀器的板級硬件設計。此外，他擁有倫斯勒理工學(xué)院計算機和系統工程碩士學(xué)位和賓夕法尼亞州立大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。
