混合動(dòng)力汽車通過微變壓器提供信號和電源隔離

近年來，隨著消費(fèi)者尋找替代燃料汽車以節(jié)約能源并減少CO 2 排放，混合動(dòng)力汽車越來越受歡迎。電動(dòng)機(jī)比使用汽油的傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更節(jié)能，并且它們可以顯著減少排放。雖然電池是混合動(dòng)力汽車的核心，但由于可靠性，安全性，重量和成本，它們也是采用混合動(dòng)力汽車的許多障礙的根源。為了克服這些障礙，采用電池監(jiān)測系統(tǒng)來維持電池的壽命和安全操作。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）存在一些主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谠S多HEV中電池組電壓可高達(dá)400V。需要這種高電壓來為電動(dòng)機(jī)提供足夠的電力，但是它產(chǎn)生了將電池狀態(tài)（SOC）電流和電壓信號從電池單元傳輸?shù)?a target="_blank">微控制器的問題，該微控制器處理來自所有電池的信息以維持安全操作。電池組。為了克服這一障礙，BMS采用電流隔離技術(shù)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。傳統(tǒng)的隔離解決方案（如光耦合器）并不適用于HEV，因?yàn)樗鼈儠?huì)隨著時(shí)間的推移而降級，尤其是在預(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電池監(jiān)控IC和BMS微控制器之間通常使用的高速串行外設(shè)接口（SPI）。

另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是除了實(shí)現(xiàn)電源隔離外HEV BMS中的信號隔離。硬件保護(hù)系統(tǒng)需要到位以在電池側(cè)提供隔離電源，以便隔離器可以將諸如過電壓信息的安全信息傳遞給微控制器，以在硬件故障時(shí)適當(dāng)?shù)仃P(guān)閉系統(tǒng)。安全信息需要不間斷，即使存在硬件錯(cuò)誤，沒有電池電源可供電池監(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和電源隔離。磁耦合允許信號在隔離柵上傳輸， i 耦合器器件與光耦合器相比功耗更低。多通道和數(shù)字接口的集成使它們非常易于使用，并且可以顯著減少元件數(shù)量和電路板空間?；诖篷詈系钠骷阅軟]有磨損機(jī)制，并且隨時(shí)間和溫度的變化很小。

i 耦合器技術(shù)與 iso 電源

i 耦合器器件中使用的微型變壓器是在CMOS基板上構(gòu)建的堆疊繞組，它們使用標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體處理制造。夾在微變壓器的頂部和底部線圈之間的聚酰亞胺膜在晶片級沉積，并提供良好控制的厚度和高結(jié)構(gòu)質(zhì)量。用于 i 耦合器裝置的固化聚酰亞胺膜具有超過400V /μm的介電擊穿強(qiáng)度。線圈之間的總厚度為20μm，聚酰亞胺層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沒有電暈放電， i 耦合器裝置也表現(xiàn)出良好的老化性能并且在連續(xù)的AC或DC電壓下工作良好。聚酰亞胺還具有非常高的熱穩(wěn)定性。它的重量損失溫度超過500°C，其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為260°C。

邏輯信號在隔離柵上的傳輸是通過初級側(cè)的適當(dāng)編碼和次級側(cè)的解碼實(shí)現(xiàn)的。一邊恢復(fù)輸入邏輯信號。具體地說，大約1ns寬的短脈沖通過變壓器傳輸，具有兩個(gè)連續(xù)的短脈沖以指示前沿，并且單個(gè)短脈沖作為下降沿。次級處的不可再觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生檢測脈沖。如果檢測到兩個(gè)脈沖，則輸出設(shè)置為HIGH。另一方面，如果檢測到單個(gè)脈沖，則輸出設(shè)置為LOW。

為了在隔離柵上傳輸功率，這些微變壓器被諧振切換以實(shí)現(xiàn)有效的能量傳輸，而能量調(diào)節(jié)通過低頻PWM反饋信號實(shí)現(xiàn)，該信號控制高頻諧振動(dòng)作的占空比。仍然開著。用于整流的變壓器開關(guān)和肖特基二極管均采用片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

示出了采用16引腳SOIC封裝的完全集成隔離式DC / DC轉(zhuǎn)換器的四通道隔離器的示例實(shí)現(xiàn)如圖1所示。左側(cè)芯片具有高壓CMOS開關(guān)，右側(cè)芯片具有整流二極管和轉(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有效的整流。變壓器芯片位于中間。這種實(shí)現(xiàn)方式將變壓器放在單獨(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，而小變壓器用于傳輸反饋PWM信號。底部變壓器芯片為四通道隔離器提供四個(gè)額外的微變壓器。左側(cè)芯片和右側(cè)芯片還支持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，隔離式模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和隔離式收發(fā)器HEV中的隔離也需要類似的實(shí)現(xiàn)。信號和電源隔離提供功能集成，可顯著降低HEV應(yīng)用的隔離系統(tǒng)的復(fù)雜性，尺寸和總成本。

HEV電池監(jiān)測系統(tǒng)的隔離

更快采用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)測每個(gè)電池單元的充電狀態(tài)（SOC）和健康狀態(tài)（SOH）是非常重要的。 BMS對于確保電池組的安全運(yùn)行和最長壽命至關(guān)重要。

圖2顯示了HEV中BMS的示例實(shí)現(xiàn)。 AD7280等電池監(jiān)視器IC監(jiān)視電池組的SOC，并通過SPI接口與控制器通信。 SPI接口通過ADuM5401隔離，ADuM5401是一個(gè)四通道隔離器，帶有集成的500mW隔離式DC / DC轉(zhuǎn)換器。除電池監(jiān)視器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操作范圍內(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與微控制器進(jìn)行通信，并相應(yīng)地關(guān)閉相關(guān)的系統(tǒng)組件。如果電池監(jiān)視器IC需要五個(gè)以上的隔離通道，則可以使用其他更高通道數(shù)的器件，如ADuM130x和ADuM140x。 Iso 電源在這里起著非常重要的作用，因?yàn)槲覀冃枰_保系統(tǒng)保護(hù)到位，即使電池電量不足也是如此。 500mW隔離電源可用于為電池側(cè)的硬件保護(hù)IC，隔離器以及電池監(jiān)控器IC內(nèi)部的ADC提供電源，如果電池端子沒有內(nèi)部穩(wěn)壓器為ADC供電。

如果需要多個(gè)電池IC，可以實(shí)現(xiàn)每個(gè)電池組的專用隔離，尤其是當(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)視器IC中的菊花鏈功能，將SPI命令傳遞到多個(gè)電池監(jiān)視器IC，而無需使用隔離。只有底部電池組電池監(jiān)控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具有為BMS控制器的CAN收發(fā)器提供隔離電源的優(yōu)勢。

HEV電機(jī)驅(qū)動(dòng)的隔離

當(dāng)然，最重要的元素是使HEV改善的電動(dòng)機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相比，在某些駕駛條件下的效率。它的隔離需求與工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的隔離需求非常相似。但是，有一些獨(dú)特的要求。用于驅(qū)動(dòng)HEV中的電動(dòng)機(jī)的逆變器需要更緊湊，重量更輕，高效且可靠。此外，它們需要能夠在高溫下運(yùn)行。

在用于HEV的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，電路的兩個(gè)主要部分需要隔離。一個(gè)是橋式逆變器IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)，另一個(gè)是電機(jī)相電流檢測。相電流檢測為控制器提供IGBT器件保護(hù)和線性電流反饋信息，以維持閉環(huán)電流控制。串聯(lián)分流電阻與逆變器輸出端的高精度ADC一起用于檢測相電流。需要隔離電源來為電流檢測ADC和柵極驅(qū)動(dòng)電路提供偏置，并且每相需要分離的電源。使用 i 耦合器設(shè)備可以大大簡化交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的復(fù)雜信號和電源隔離需求。

低功耗電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的示例實(shí)現(xiàn)如圖3所示.ADuM5230是一款半橋柵極驅(qū)動(dòng)器，集成了200mW高端15V電源。它為高端IGBT提供隔離的15V柵極驅(qū)動(dòng)輸出，為低端IGBT提供另一個(gè)隔離的15V柵極驅(qū)動(dòng)輸出。低側(cè)隔離可保護(hù)控制器免受來自大型IGBT開關(guān)的感應(yīng)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，并且還可以與齊納二極管一起使用以產(chǎn)生3至5V的低電源以為電流供電傳感ADC，如AD7401。

AD7401是一款隔離式二階Σ-Δ調(diào)制器，可將模擬輸入轉(zhuǎn)換為可與控制器直接連接的高速單位數(shù)據(jù)流。它從控制器接收時(shí)鐘，同時(shí)將時(shí)鐘控制的數(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，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ADC均以反相器輸出為參考，可以非?？焖俚厍袚Q。 i 具有高共模瞬態(tài)抗擾度的耦合器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中的紅色虛線用于顯示隔離柵的位置，藍(lán)色框中顯示的電路元件可以復(fù)制用于其他相的橋式逆變器。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)器都會(huì)產(chǎn)生自己的柵極驅(qū)動(dòng)信號和高端電源。

為實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)，智能功率模塊通常用于HEV。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，為高端提供進(jìn)一步的電平轉(zhuǎn)換或隔離IGBT器件。邏輯隔離有助于控制器和直流鏈路接地之間的通信，例如將直流鏈路電壓或電流檢測信息傳遞給控制器。

與ADuM5401類似，ADuM5400是一個(gè)四通道隔離器集成的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)信號中的四個(gè)提供隔離。 ADuM1401是另一個(gè)四通道隔離器，可為其他兩個(gè)柵極驅(qū)動(dòng)信號提供隔離。例如，未使用的兩個(gè)隔離通道可用于控制器和非隔離ADC之間的串行通信，該非隔離ADC可用于HVDC電壓感測。 ADuM5400的500mW隔離電源可用于為低端接地的任何邏輯電路供電，例如ADuM1401的輸出側(cè)，用于電壓檢測的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，可顯著減少組件數(shù)量和系統(tǒng)成本，簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并縮短增量設(shè)計(jì)時(shí)間。它使HEV更高效，更緊湊，更輕便，更可靠。