微型變壓器為混合動(dòng)力電動(dòng)汽車提供信號(hào)和電源隔離

近年來，隨著消費(fèi)者尋找替代燃料汽車來節(jié)約能源和減少一氧化碳，混合動(dòng)力電動(dòng)汽車越來越受歡迎2排放。電動(dòng)機(jī)比使用汽油的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更節(jié)能，并且可以大大減少排放。雖然電池是HEV的核心，但由于可靠性，安全性，重量和成本，它們也是采用HEV的許多障礙的來源。為了克服這些障礙，采用了電池監(jiān)控系統(tǒng)來保持電池的使用壽命和安全運(yùn)行。由于其高工作電壓，需要復(fù)雜的隔離技術(shù)。

設(shè)計(jì)電池監(jiān)控系統(tǒng)（BMS）有幾個(gè)主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樵S多HEV的電池組電壓可能高達(dá)400V。需要這種高電壓才能向電機(jī)提供足夠的功率，但它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問題，即將充電狀態(tài)（SOC）電流和電壓信號(hào)從電池單元傳輸?shù)?a target="_blank">微控制器，微控制器處理來自所有電池的信息以保持電池組的安全運(yùn)行。為了繞過這一障礙，BMS采用電流隔離將數(shù)據(jù)從高壓電池傳輸?shù)杰囕v其他地方的低壓電子設(shè)備。光耦合器等傳統(tǒng)隔離解決方案不適合HEV，因?yàn)樗鼈儠?huì)隨著時(shí)間的推移而退化，特別是在預(yù)計(jì)環(huán)境溫度較高的汽車環(huán)境中;它們也沒有足夠的帶寬來處理通常在電池監(jiān)控IC和BMS微控制器之間使用的高速串行外設(shè)接口（SPI）。

另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是除了HEV BMS中的信號(hào)隔離之外，還要實(shí)現(xiàn)電源隔離。硬件保護(hù)系統(tǒng)需要到位，在電池側(cè)提供隔離電源，以便隔離器可以將過壓信息等安全信息傳遞給微控制器，以便在發(fā)生硬件故障時(shí)適當(dāng)關(guān)閉系統(tǒng)。安全信息需要不間斷，即使存在硬件錯(cuò)誤，即沒有電池電源為電池監(jiān)控IC供電。

具有iso電源的新型i耦合器數(shù)字隔離器使用片上變壓器提供信號(hào)和電源隔離。磁耦合允許信號(hào)跨越隔離柵傳輸，與光耦合器相比，i耦合器器件消耗的功率要少得多。多通道和數(shù)字接口的集成使其非常易于使用，并顯著減少了元件數(shù)量和電路板空間?；诖篷詈系钠骷阅軟]有磨損機(jī)制，隨時(shí)間和溫度變化不大。

我?guī)?iso電源的耦合器技術(shù)

i耦合器器件中使用的微變壓器是建立在CMOS基板上的堆疊繞組，采用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體工藝制造。夾在微變壓器頂部和底部線圈之間的聚酰亞胺薄膜沉積在晶圓級(jí)，并提供良好控制的厚度和高結(jié)構(gòu)質(zhì)量。i耦合器器件中使用的固化聚酰亞胺薄膜具有超過400V/μm的介電擊穿強(qiáng)度。聚酰亞胺層之間的線圈總厚度為20μm，使器件能夠承受超過8kV的瞬時(shí)交流電壓。由于沉積的聚酰亞胺薄膜沒有空隙并且不會(huì)遭受電暈放電，因此i耦合器器件還具有良好的老化性能，并且在連續(xù)的交流或直流電壓下工作良好。聚酰亞胺還具有非常高的熱穩(wěn)定性。其失重溫度超過500°C，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為260°C。

邏輯信號(hào)跨越隔離柵的傳輸是通過在初級(jí)側(cè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)木幋a和在次級(jí)側(cè)進(jìn)行解碼來實(shí)現(xiàn)的，以恢復(fù)輸入邏輯信號(hào)。特別是寬約1ns的短脈沖通過變壓器傳輸，兩個(gè)連續(xù)的短脈沖指示前沿，單個(gè)短脈沖作為下降沿。次級(jí)的不可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生檢測(cè)脈沖。如果檢測(cè)到兩個(gè)脈沖，則輸出設(shè)置為高電平。另一方面，如果檢測(cè)到單個(gè)脈沖，則輸出設(shè)置為低電平。

為了跨隔離柵傳輸功率，這些微型變壓器進(jìn)行諧振切換以實(shí)現(xiàn)高效的能量傳輸，同時(shí)通過低頻PWM反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)，該信號(hào)控制高頻諧振動(dòng)作的占空比。用于整流的變壓器開關(guān)和肖特基二極管均在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

圖1顯示了采用16引腳SOIC封裝的四通道隔離器與完全集成隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器的實(shí)現(xiàn)示例。左芯片有高壓CMOS開關(guān)，右邊芯片有整流二極管和轉(zhuǎn)換器控制器。兩個(gè)交叉耦合開關(guān)與變壓器一起形成振蕩，肖特基二極管用于快速高效的整流。變壓器芯片位于中間。這種實(shí)現(xiàn)將變壓器放在單獨(dú)的芯片上，但原則上，變壓器可以放在開關(guān)或肖特基二極管的相同芯片上。對(duì)于頂部變壓器芯片，兩個(gè)較大的變壓器是電力變壓器，而小型變壓器用于傳輸反饋PWM信號(hào)。底部變壓器芯片可容納四個(gè)額外的微變壓器，用于四通道隔離器。左芯片和右芯片還保存四通道隔離器的編解碼電路。

圖 1：采用 iso電源的 i耦合器技術(shù)

完全集成的半橋柵極驅(qū)動(dòng)、隔離式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和隔離式收發(fā)器也是HEV隔離所必需的，也可以類似地實(shí)現(xiàn)。信號(hào)和電源隔離提供功能集成，可顯著降低HEV應(yīng)用隔離系統(tǒng)的復(fù)雜性、尺寸和總成本。

HEV電池監(jiān)控系統(tǒng)的隔離

加速采用HEV的主要障礙之一是與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)所需的電池相關(guān)的額外成本，重量和安全問題。監(jiān)測(cè)每個(gè)電池單元的充電狀態(tài) （SOC） 和健康狀態(tài) （SOH） 非常重要。BMS對(duì)于確保電池組的安全操作和最長(zhǎng)使用壽命至關(guān)重要。

圖 2 顯示了 HEV 中 BMS 的示例實(shí)現(xiàn)。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ADuM5401進(jìn)行隔離，ADuM5401是一款四通道隔離器，集成500mW隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器。除電池監(jiān)控IC外，通常還使用冗余硬件保護(hù)系統(tǒng)來確保電池單元電壓在安全工作范圍內(nèi)。如果發(fā)生硬件錯(cuò)誤，硬件保護(hù)系統(tǒng)將能夠通過雙通道隔離器ADuM1201與微控制器通信，并適當(dāng)?shù)仃P(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，則可以使用其他通道數(shù)更高的器件，如ADuM130x和ADuM140x。磯電源在這里起著非常重要的作用，因?yàn)榧词闺姵仉娫床豢捎?，我們也需要確保系統(tǒng)保護(hù)到位。500mW隔離電源可用于為硬件保護(hù)IC和電池側(cè)的隔離器供電，如果電池端子沒有內(nèi)部穩(wěn)壓器為ADC上電，也可用于為電池監(jiān)控器IC內(nèi)的ADC供電。

圖 2：HEV 中 BMS 的隔離實(shí)現(xiàn)

如果需要多個(gè)電池IC，則可以為每個(gè)電池組實(shí)現(xiàn)專用隔離，特別是當(dāng)每個(gè)電池組都有自己的模塊時(shí)。另一種解決方案是利用AD7280等電池監(jiān)控器IC中的菊花鏈功能，在多個(gè)電池監(jiān)控器IC之間傳遞SPI命令，而無需使用隔離。只有底部堆棧電池監(jiān)控器IC需要通過隔離接口與BMS控制器通信。

BMS控制器還需要通過主車輛CAN總線與其他系統(tǒng)控制器通信。 ADuM1201或ADuM5201可用于在BMS控制器和CAN收發(fā)器之間提供隔離。ADuM5201的優(yōu)勢(shì)在于可以從BMS控制器為CAN收發(fā)器提供隔離電源。

HEV電機(jī)驅(qū)動(dòng)的隔離

當(dāng)然，最重要的元素是電動(dòng)機(jī)，與內(nèi)燃機(jī)相比，使HEV在某些駕駛條件下提高效率。其隔離需求與工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器非常相似。但是，有一些獨(dú)特的要求。用于驅(qū)動(dòng)HEV中電動(dòng)機(jī)的逆變器需要更緊湊，重量更輕，高效可靠。此外，它們需要能夠在高溫下運(yùn)行。

在HEV的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電路有兩個(gè)主要部分需要隔離。一種是橋式逆變器IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)，另一種是電機(jī)相電流檢測(cè)。相電流檢測(cè)為控制器提供IGBT器件保護(hù)和線性電流反饋信息，以保持閉環(huán)電流控制。串聯(lián)分流電阻器與逆變器輸出端的高精度ADC一起通常用于檢測(cè)相電流。需要隔離電源為電流檢測(cè)ADC和柵極驅(qū)動(dòng)電路提供偏置，并且每相都需要單獨(dú)的電源。使用i耦合器器件可以大大簡(jiǎn)化交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜信號(hào)和電源隔離需求。

低功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的實(shí)現(xiàn)示例如圖3所示。ADuM5230是一款半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，集成200mW高邊15V電源。它為高端IGBT提供隔離式15V柵極驅(qū)動(dòng)輸出，為低側(cè)IGBT提供另一個(gè)隔離式15V柵極驅(qū)動(dòng)輸出。低側(cè)隔離可保護(hù)控制器免受來自大IGBT開關(guān)的電感開關(guān)瞬變的損壞。通過集成DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的15V高端電源為緩沖電路提供電源以驅(qū)動(dòng)大型IGBT，也可以與齊納二極管一起使用，以產(chǎn)生3至5V的低電源，為AD7401等電流檢測(cè)ADC供電。

圖 3：使用隔離式半橋柵極驅(qū)動(dòng)器的 HEV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

AD7401是一款隔離式二階Σ-Δ調(diào)制器，可將模擬輸入轉(zhuǎn)換為高速單位數(shù)據(jù)流，可直接與控制器接口。它從控制器接收時(shí)鐘，同時(shí)將時(shí)鐘數(shù)據(jù)流發(fā)送回控制器。如果沒有集成ADC，則需要多個(gè)光耦合器，而慢速光耦合器通常不適合傳輸這種高速數(shù)據(jù)流。高端柵極驅(qū)動(dòng)器和電流檢測(cè)ADC的接地均以逆變器輸出為參考，逆變器輸出可以非?？焖俚厍袚Q。我具有高共模瞬態(tài)抗擾度的耦合器隔離對(duì)于保持高端開關(guān)和電流檢測(cè)的數(shù)據(jù)完整性非常重要。

圖3中的紅虛線用于顯示隔離柵的位置，藍(lán)框中顯示的電路元件可以復(fù)制到其他相位的橋式逆變器中。逆變器輸出需要彼此隔離，多個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器將實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。每個(gè)半橋柵極驅(qū)動(dòng)器將產(chǎn)生自己的柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和高端電源。

為了實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)，HEV中經(jīng)常使用智能功率模塊。使用智能柵極驅(qū)動(dòng)模塊的HEV電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如圖4所示。六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)通常通過邏輯隔離器隔離，它們?yōu)闁艠O驅(qū)動(dòng)模塊提供輸入，為高邊IGBT器件提供進(jìn)一步的電平轉(zhuǎn)換或隔離。邏輯隔離有助于控制器和直流母線接地之間的通信，例如將直流母線電壓或電流檢測(cè)信息傳遞給控制器。

圖 4：使用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn) HEV 電機(jī)驅(qū)動(dòng)

與ADuM5401類似，ADuM5400是一款四通道隔離器，集成DC/DC轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)500mW的隔離電源。它為來自控制器的六個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)中的四個(gè)提供隔離。ADuM1401是另一個(gè)四通道隔離器，為其他兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供隔離。未使用的兩個(gè)隔離通道可用于控制器與非隔離ADC之間的串行通信，例如，可用于HVDC電壓檢測(cè)。ADuM5400的500mW隔離電源可用于為基準(zhǔn)電壓源的任何邏輯電路上電，例如ADuM1401的輸出側(cè)，ADuM1401是用于電壓檢測(cè)的ADC。

結(jié)論

總之，i耦合器技術(shù)為HEV BMS和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的隔離解決方案。它消除了其他隔離解決方案的許多限制。它在單個(gè)封裝中提供完整的隔離解決方案，從而顯著減少元件數(shù)量和系統(tǒng)成本，簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并減少增量設(shè)計(jì)時(shí)間。它使HEV更高效，更緊湊，更輕，更可靠。

審核編輯：郭婷