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电动和混合动力汽车应用中的电流隔离

2020-07-08 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
电动和混合动力汽车(EV和HEV)在全球范围内逐渐普及,但必须承受比汽油动力汽车更高的工作电压和电流,这凸显出电流隔离对于汽车设计的重要性。

电动和混合动力汽车(EV和HEV)在全球范围内逐渐普及,但必须承受比汽油动力汽车更高的工作电压和电流,这凸显出电流隔离对于汽车设计的重要性。汽车电气化要求采用大功率设备,例如大家所知的电池、逆变器和再生制动系统,这些设备与数字控制电路的接口要求采用适当的电流隔离技术。Nv0ednc

简而言之,电流隔离是指两个电路之间的电流隔离,当将它们分开的绝缘电阻无限大或很大时,就会发生电流隔离,也就是说两个电路之间没有电气连接。Nv0ednc

为什么需要电流隔离?

在电动汽车和混合动力汽车中,当两个不同电路的接地处于不同电位时,必须进行电流隔离,以防止触发危险的接地回路。这种接地回路可能会产生噪声,从而危及车辆安全。这类车辆中流过的电流可能对人类造成致命危险,因此最大程度确保其安全性至关重要。Nv0ednc

EV和HEV平台通常都使用48V电源总线,并配有高压和高能量密度电池,可以在很短的时间内充满电。EV或HEV中的第一个大功率电路是车载充电器(OBC),用于为锂离子电池充电。这种充电器包括一个配备有功率因数校正(PFC)电路的模数转换器(ADC),并由一个电池管理系统(BMS)负责监控。BMS的任务是安全有效地管理电池的充电和放电过程,并监视其健康状况。Nv0ednc

电气隔离(或电流隔离)是指在两个电位不同的点之间没有电流流通的状态。更准确地说,这时候不可能将电荷载流子从一个点移动到另一个点,而电能(或信号)仍然可以通过其他物理现象进行交换,例如通过电磁感应、电容耦合或光。这种状态等效于两点之间的电阻无穷大,而在实际设计中,100MΩ级别的电阻就足够了。Nv0ednc

第二个电源设备是DC/DC转换器,它能够将电池提供的电压转换并降低至12V,以便为各种附件设备供电。还有一个或多个辅助逆变器,用于控制空调系统的压缩机、水泵、风扇和其他辅助系统。最后,还有一个主逆变器,用于驱动电机,并管理通过再生制动系统产生的能量来为电池充电。所有这些电路都受到高强度电流(数十安培或更高,其峰值电压可能超过400V)的影响。Nv0ednc

此外,包含逻辑部分的电路(例如OBC)必须与汽车应用中常见的低功耗通信总线接口相连,例如控制器局域网(CAN)、本地互连网络(LIN)和FlexRay。在这些情况下,电流隔离具有双重功用,不但要确保车辆的电气安全,还要保护其车载低功率电子电路免受危险的高电压和大电流损害。Nv0ednc

可用于电动和混合动力车辆的电流隔离产品包括隔离变压器、光耦合器(也称为光电耦合器)、基于电容的半导体隔离器,以及基于变压器的半导体隔离器。隔离变压器利用电磁场将信息从绝缘屏障的一侧传递到另一侧。光耦合器通常使用LED和光电二极管以光信号的形式传输信息。为了获得高度的绝缘性,需要在LED和光电二极管之间插入绝缘带,使设备可以承受很高的电压。Nv0ednc

基于半导体的隔离使用一对差分电容或一个基于微机电系统(MEMS)的变压器作为绝缘元件。基于半导体的隔离器与光电耦合器相比具有许多优点,比如更高的耐用性、不会随时间和温度的变化而变化的稳定性、更好的抗噪性,以及更高的开关速率。基于半导体的隔离特别适合汽车应用领域。在汽车应用中使用宽带隙材料器件(例如氮化镓和碳化硅)要求绝缘系统能够在更高的温度下工作,并且能够承受由高开关频率产生的电气噪声。Nv0ednc

在高压应用中,绝缘电阻是确定系统能否安全运行的重要因素。绝缘电阻必须定期测量,因为它会由于高电压和热应力而导致过早老化。因此,系统包括绝缘电阻测量功能特别重要,这样可以监控性能下降并在发生故障之前采取预防措施。Nv0ednc

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图1:NXP的EV/HEV电机控制电源逆变器解决方案框图。(图片来源:恩智浦半导体)Nv0ednc

产品

恩智浦半导体公司的汽车HEV/EV功率逆变器控制参考平台为EV牵引电机和DC/DC转换器提供了完整的解决方案。该参考平台的典型应用如图1所示,包括多达4块基于多核32位MCU的线路板、一个先进的电机控制时序(Motor Control Timing)软件库和互连电缆。该参考设计通过绝缘栅双极晶体管(IGBT)栅极驱动器中的电信号隔离功能,可以有效驱动由400V电源供电的100kW三相电动机。Nv0ednc

英飞凌的EiceDRIVER单通道和双通道汽车IGBT驱动器IC可以提供电流隔离和双向信号传输,这些产品非常适合汽车应用中的主逆变器系统,因为在这些应用中,效率高、占用空间小以及较好的监控功能是强制性要求。EiceDRIVER可以在恶劣的EMC环境中稳定地工作,并通过集成的2A输出级来驱动高达100A/1200V的IGBT。其集电极-发射极饱和电压(VCE(sat))检测和有源米勒钳位功能特性进一步完善了该IGBT驱动器IC系列的布局。Nv0ednc

如图2所示,英飞凌的2ED020I12FA EVALKIT是用于600V/1200V IGBT驱动的2ED020I12FA双通道隔离式IGBT驱动器评估板,设计人员可以用它评估EiceDRIVER系列提供的功能特性来加速关键汽车项目的开发进程。Nv0ednc

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图2:2ED020I12FA评估套件。(图片来源:英飞凌)Nv0ednc

电流隔离有两个主要目标:功能性和安全性。从功能性的角度来看,它可以让信号传输(主)电路与采集(从)电路分开工作,从而保证独立的电压基准,防止噪声接地回路的形成。从安全角度来看,它可以让电路和乘车人员避免输入和输出电路之间的高压危险,因为大气中的过电压或设备故障会引起危险的高压。显然,电流隔离是HEV/EV设计的关键环节。Nv0ednc

(原文刊登于ASPENCORE旗下EETimes欧洲网站,参考链接:Galvanic Isolation in EV and HEV Applications。)Nv0ednc

本文为《电子技术设计》2020年07月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里Nv0ednc

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Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
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