充電機充電蓄電池系統和電動車系統中的隔離應用
2018-11-14 12:12:16??????點擊：
全球汽車OEM皆宣布將積極推出新型電動車(EV)、混合動力電動車(HEV)和48V充電機充電蓄電池輕型混合動力電動車(MHEV)的計劃。純EV正實現兩位數的成長率，48V MHEV系統亦正崛起，為標準內燃機(ICE)的引擎子系統帶來電氣化，且48V輕型混合動力設計的低成本及改造現有傳動系統的能力進一步加速了對汽車應用中功率電子設備的需求。
隨著汽車設計轉向電氣化，高瓦數功率電子設備成為新型電子傳動系統和充電機充電蓄電池系統的關鍵組件。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，且在控制器和電力系統之間進行電氣隔離。在這些應用中，需要電流隔離(通常是半導體基礎的隔離)，以允許數字控制器安全地和現代EV高壓系統進行連接。
EV系統概述
為了與傳統的內燃機車輛競爭，EV/HEV中使用的充電機充電蓄電池必須具備非常高的能量儲存密度，接近零自漏電流，能夠在幾分鐘而非幾小時內充電。此外，充電機充電蓄電池管理和相關電源轉換系統必須將尺寸和重量最小化，并且在向電動馬達提供大量的高效供電的同時「啜飲(sip)」充電機充電蓄電池電流。現代EV/HEV設計在傳動系統和能量儲存/轉換系統中使用模塊化組件，EV/HEV充電機充電蓄電池管理系統通常包括四個主要電路組件：
· 車載蓄電池充電機(OBC)：鋰離子充電機充電蓄電池提供的能量儲存由OBC進行充電，該蓄電池充電機由具備功率因子校正(PFC)的交流-直流轉換器組成，并由充電機充電蓄電池管理系統監控。
· 充電機充電蓄電池管理系統(BMS)：充電機充電蓄電池單元由BMS監控和管理，以確保高效和安全。BMS控制各個充電機充電蓄電池的充電、健康狀態、放電深度和調節。
· DC/DC轉換器：DC/DC轉換器將高壓充電機充電蓄電池連接到內部12V直流網絡，該網絡為周邊配件提供電源并向本地開關轉換器提供電源偏置。
· 主逆變器：主逆變器驅動電動馬達，用于再生煞車，并將能量返回到充電機充電蓄電池。
圖1顯示這些系統，以及需要在EV中控制或通信的其他子系統。
圖1 EV系統架構范例。
EV系統需要強大的高性能隔離以便與數字控制器連接，進而保護其免受高達300V以上電壓的影響。這些子系統，如圖2中所示的OBC，通常透過CAN總線進行控制，CAN總線同樣需要與車輛中的其他子系統隔離。
由于高電流和電氣開關，EV中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接上，將數字通信信號發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并與其隔離，低壓控制器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，也具備類似的系統要求和隔離需求。表1中所示的隔離組件經常用于允許EV系統中的通信和控制。
表1 電動車輛系統中使用的隔離組件。
雖然EV已經部署了不同類型的隔離技術，但越來越多制造商正轉向半導體基礎的現代隔離技術，不再使用基于光耦合器的舊解決方案。相較于要求嚴格的汽車應用中的光耦合器，這些現代隔離器具備許多優勢，包括更長的使用壽命、溫度和老化的顯著穩定性、更快的開關速度和更好的抗噪聲能力。
隨著汽車供貨商采用寬能隙功率晶體管——如氮化鎵(GaN)或碳化硅(SiC)來滿足不斷增加的功率密度，半導體基礎隔離的優勢變得非常重要。這些GaN或SiC系統通常使用更高的開關速度來縮小系統磁性材料的尺寸，卻導致顯著的電氣噪聲，半導體隔離是應對這些更高速度和更多噪聲環境的理想選擇。
縮小這些系統的尺寸并增加功率密度會使工作溫度升高，而對光耦合器產生壓力并降低其性能。半導體基礎的隔離在這些更高的溫度范圍內具備明顯更好的性能和可靠性，使其成為汽車EV設計的理想選擇。
OBC概述
OBC系統(參見圖2中的簡化框架圖)負責將標準交流充電源轉換為用于對車輛中的充電機充電蓄電池組充電直流電壓。此外，OBC執行其他關鍵功能，如電壓監控和保護。
圖2 車載蓄電池充電機系統范例。
OBC系統采用交流輸入源，透過全波整流器轉換為高壓直流總線電壓，并提供功率因子校正。產生的直流信號被截波成開關方形波，用于驅動變壓器以產生所需的輸出直流電壓，使用隔離閘極驅動器(例如Silicon Labs的Si8239x組件)完成輸入信號的截波。
在隔離閘極驅動器的控制下，可以運用同步場效晶體管(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組件)，輸出電壓能夠被監控，向系統控制器提供反饋回路。
整個系統可以透過隔離的CAN總線進行監控。CAN總線透過數字隔離器進行隔離，這些隔離器有時也整合了DC/DC電源轉換器，例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔離器。
BMS和CAN總線
如圖3所示，這個簡化的BMS系統顯示在與一個EV子系統進行連接時，信號和電源隔離的重要性。在大多數EV子系統中，CAN總線透過數字隔離與該子系統中的高壓隔離，現代數字隔離需要電源為隔離器兩側供電(高壓域和低壓域)。此電源也可為連接到隔離器的其他設備供電，例如CAN總線收發器。
在圖3中，高壓域是充電機充電蓄電池組一側，低壓域是CAN收發器一側。此范例主要關注CAN總線接口，但微控制器(MCU)和充電機充電蓄電池組本身之間可能有額外隔離。
圖3 充電機充電蓄電池管理系統通信接口。
藉由使用包含整合DC-DC轉換器的全隔離解決方案，開發人員可以減小系統設計的規模和復雜性。這些具備整合功率轉換器的隔離解決方案，可用于車輛中許多包含CAN總線收發器的子系統。
牽引馬達系統中的隔離
為車輪提供動力是EV的最后階段，需要將幾個關鍵的隔離組件整合到設計中。牽引馬達驅動系統需要透過充電機充電蓄電池的高壓直流輸出來驅動牽引馬達。大多數電動車輛中的牽引馬達是交流感應馬達，為了驅動馬達，牽引馬達控制器必須從充電機充電蓄電池組產生的高壓直流電源在線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器。隔離允許低壓控制器安全的開關高功率晶體管以產生交流波形。此外，馬達控制系統中可能存在隔離的CAN總線，并有某些方法可以感測驅動馬達的電流，并監控速度和力矩。圖4所示為一個使用各種數字隔離設備，簡化的牽引馬達控制系統。
圖4 簡化的牽引馬達控制系統。
其他汽車隔離考慮
汽車電子必須滿足比工業系統更嚴格的測試和質量標準。大多數汽車客戶需要更嚴格的AEC-Q100認證、遵循ISO/TS 16949審核、更延展的操作溫度范圍(-40~+125℃)和極低的瑕疵率。
這些新增的要求意味著汽車電子供貨商需要采取額外措施，確保組件能夠滿足客戶需求。在晶圓廠、組件封裝和最終組裝中進行額外的質量控制。
為提供真正的汽車級組件，這些提高的組件參數也必須得到質量系統和文件的支持，例如生產件核準程序(PPAP)、國際材料數據系統(IMDS)和中國汽車材料數據系統(CAMDS)。
結論
汽車產業電氣化競爭正加速中，每年都有更多車輛來自不同的制造商，EV的數量和類型增加，為電子供貨商創造在車輛電力電子系統中，增加設備占有率的機會。這些驅動系統中的高電壓和噪聲環境需要強大的高性能電流隔離，確保安全可靠的運行，由于不斷提高的瓦數和縮小的EV子系統尺寸持續增加功率密度，產生了嚴格的熱和電氣噪聲條件。半導體基礎的隔離與傳統的光耦合器解決方案相比具備明顯的優勢，使其成為這些高難度EV應用的理想選擇。
與工業客戶相較之下，汽車客戶需要更寬廣的工作溫度范圍、更佳的質量和更嚴謹的文件及系統。而能夠滿足所有這些需求的電子產品供貨商，已準備好迎接即將到來的EV浪潮。
隨著汽車設計轉向電氣化，高瓦數功率電子設備成為新型電子傳動系統和充電機充電蓄電池系統的關鍵組件。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，且在控制器和電力系統之間進行電氣隔離。在這些應用中，需要電流隔離(通常是半導體基礎的隔離)，以允許數字控制器安全地和現代EV高壓系統進行連接。
EV系統概述
為了與傳統的內燃機車輛競爭，EV/HEV中使用的充電機充電蓄電池必須具備非常高的能量儲存密度，接近零自漏電流，能夠在幾分鐘而非幾小時內充電。此外，充電機充電蓄電池管理和相關電源轉換系統必須將尺寸和重量最小化，并且在向電動馬達提供大量的高效供電的同時「啜飲(sip)」充電機充電蓄電池電流。現代EV/HEV設計在傳動系統和能量儲存/轉換系統中使用模塊化組件，EV/HEV充電機充電蓄電池管理系統通常包括四個主要電路組件：
· 車載蓄電池充電機(OBC)：鋰離子充電機充電蓄電池提供的能量儲存由OBC進行充電，該蓄電池充電機由具備功率因子校正(PFC)的交流-直流轉換器組成，并由充電機充電蓄電池管理系統監控。
· 充電機充電蓄電池管理系統(BMS)：充電機充電蓄電池單元由BMS監控和管理，以確保高效和安全。BMS控制各個充電機充電蓄電池的充電、健康狀態、放電深度和調節。
· DC/DC轉換器：DC/DC轉換器將高壓充電機充電蓄電池連接到內部12V直流網絡，該網絡為周邊配件提供電源并向本地開關轉換器提供電源偏置。
· 主逆變器：主逆變器驅動電動馬達，用于再生煞車，并將能量返回到充電機充電蓄電池。
圖1顯示這些系統，以及需要在EV中控制或通信的其他子系統。
圖1 EV系統架構范例。
EV系統需要強大的高性能隔離以便與數字控制器連接，進而保護其免受高達300V以上電壓的影響。這些子系統，如圖2中所示的OBC，通常透過CAN總線進行控制，CAN總線同樣需要與車輛中的其他子系統隔離。
由于高電流和電氣開關，EV中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接上，將數字通信信號發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并與其隔離，低壓控制器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，也具備類似的系統要求和隔離需求。表1中所示的隔離組件經常用于允許EV系統中的通信和控制。
表1 電動車輛系統中使用的隔離組件。
雖然EV已經部署了不同類型的隔離技術，但越來越多制造商正轉向半導體基礎的現代隔離技術，不再使用基于光耦合器的舊解決方案。相較于要求嚴格的汽車應用中的光耦合器，這些現代隔離器具備許多優勢，包括更長的使用壽命、溫度和老化的顯著穩定性、更快的開關速度和更好的抗噪聲能力。
隨著汽車供貨商采用寬能隙功率晶體管——如氮化鎵(GaN)或碳化硅(SiC)來滿足不斷增加的功率密度，半導體基礎隔離的優勢變得非常重要。這些GaN或SiC系統通常使用更高的開關速度來縮小系統磁性材料的尺寸，卻導致顯著的電氣噪聲，半導體隔離是應對這些更高速度和更多噪聲環境的理想選擇。
縮小這些系統的尺寸并增加功率密度會使工作溫度升高，而對光耦合器產生壓力并降低其性能。半導體基礎的隔離在這些更高的溫度范圍內具備明顯更好的性能和可靠性，使其成為汽車EV設計的理想選擇。
OBC概述
OBC系統(參見圖2中的簡化框架圖)負責將標準交流充電源轉換為用于對車輛中的充電機充電蓄電池組充電直流電壓。此外，OBC執行其他關鍵功能，如電壓監控和保護。
圖2 車載蓄電池充電機系統范例。
OBC系統采用交流輸入源，透過全波整流器轉換為高壓直流總線電壓，并提供功率因子校正。產生的直流信號被截波成開關方形波，用于驅動變壓器以產生所需的輸出直流電壓，使用隔離閘極驅動器(例如Silicon Labs的Si8239x組件)完成輸入信號的截波。
在隔離閘極驅動器的控制下，可以運用同步場效晶體管(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組件)，輸出電壓能夠被監控，向系統控制器提供反饋回路。
整個系統可以透過隔離的CAN總線進行監控。CAN總線透過數字隔離器進行隔離，這些隔離器有時也整合了DC/DC電源轉換器，例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔離器。
BMS和CAN總線
如圖3所示，這個簡化的BMS系統顯示在與一個EV子系統進行連接時，信號和電源隔離的重要性。在大多數EV子系統中，CAN總線透過數字隔離與該子系統中的高壓隔離，現代數字隔離需要電源為隔離器兩側供電(高壓域和低壓域)。此電源也可為連接到隔離器的其他設備供電，例如CAN總線收發器。
在圖3中，高壓域是充電機充電蓄電池組一側，低壓域是CAN收發器一側。此范例主要關注CAN總線接口，但微控制器(MCU)和充電機充電蓄電池組本身之間可能有額外隔離。
圖3 充電機充電蓄電池管理系統通信接口。
藉由使用包含整合DC-DC轉換器的全隔離解決方案，開發人員可以減小系統設計的規模和復雜性。這些具備整合功率轉換器的隔離解決方案，可用于車輛中許多包含CAN總線收發器的子系統。
牽引馬達系統中的隔離
為車輪提供動力是EV的最后階段，需要將幾個關鍵的隔離組件整合到設計中。牽引馬達驅動系統需要透過充電機充電蓄電池的高壓直流輸出來驅動牽引馬達。大多數電動車輛中的牽引馬達是交流感應馬達，為了驅動馬達，牽引馬達控制器必須從充電機充電蓄電池組產生的高壓直流電源在線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器。隔離允許低壓控制器安全的開關高功率晶體管以產生交流波形。此外，馬達控制系統中可能存在隔離的CAN總線，并有某些方法可以感測驅動馬達的電流，并監控速度和力矩。圖4所示為一個使用各種數字隔離設備，簡化的牽引馬達控制系統。
圖4 簡化的牽引馬達控制系統。
其他汽車隔離考慮
汽車電子必須滿足比工業系統更嚴格的測試和質量標準。大多數汽車客戶需要更嚴格的AEC-Q100認證、遵循ISO/TS 16949審核、更延展的操作溫度范圍(-40~+125℃)和極低的瑕疵率。
這些新增的要求意味著汽車電子供貨商需要采取額外措施，確保組件能夠滿足客戶需求。在晶圓廠、組件封裝和最終組裝中進行額外的質量控制。
為提供真正的汽車級組件，這些提高的組件參數也必須得到質量系統和文件的支持，例如生產件核準程序(PPAP)、國際材料數據系統(IMDS)和中國汽車材料數據系統(CAMDS)。
結論
汽車產業電氣化競爭正加速中，每年都有更多車輛來自不同的制造商，EV的數量和類型增加，為電子供貨商創造在車輛電力電子系統中，增加設備占有率的機會。這些驅動系統中的高電壓和噪聲環境需要強大的高性能電流隔離，確保安全可靠的運行，由于不斷提高的瓦數和縮小的EV子系統尺寸持續增加功率密度，產生了嚴格的熱和電氣噪聲條件。半導體基礎的隔離與傳統的光耦合器解決方案相比具備明顯的優勢，使其成為這些高難度EV應用的理想選擇。
與工業客戶相較之下，汽車客戶需要更寬廣的工作溫度范圍、更佳的質量和更嚴謹的文件及系統。而能夠滿足所有這些需求的電子產品供貨商，已準備好迎接即將到來的EV浪潮。
- 上一篇：直流穩壓電源電路設計工程師解析20中常用的模擬電路 2018/11/14
- 下一篇：UPS充電機充電蓄電池異常故障案例分析 2018/11/14
