電動和混合動力車應用中的電流隔離

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,EE Times Europe編輯暨EEWeb主編

電動和混合動力車在全球範圍內逐漸普及,但必須承受比汽油動力汽車更高的工作電壓和電流,這凸顯出電流隔離對於汽車設計的重要性。汽車電氣化要求採用大功率設備,例如大家所知的電池、逆變器和再生制動系統,這些設備與數位控制電路的介面要求採用適當的電流隔離(galvanic isolation)技術。

電動和混合動力車(EV和HEV)在全球範圍內逐漸普及,但必須承受比汽油動力汽車更高的工作電壓和電流,這凸顯出電流隔離對於汽車設計的重要性。汽車電氣化要求採用大功率設備,例如大家所知的電池、逆變器和再生制動系統,這些設備與數位控制電路的介面要求採用適當的電流隔離(galvanic isolation)技術。

簡而言之,電流隔離是指兩個電路之間的電流隔離,當將它們分開的絕緣電阻無限大或很高時,就會發生電流隔離,也就是說兩個電路之間沒有電氣連接。

為什麼需要電流隔離?

在電動車和混合動力車中,當兩個不同電路的接地處於不同電位時,必須進行電流隔離,以防止觸發危險的接地回路。這種接地回路可能會產生雜訊,從而危及車輛安全。這類車輛中流過的電流可能對人類造成致命危險,因此最大程度確保其安全性至關重要。

電動車和混合動力車平台通常都使用48V電源匯流排,並配有高壓和高能量密度電池,可以在很短的時間內充滿電。電動車和混合動力車中的第一個大功率電路是車載充電器(OBC),用於為鋰離子(Li-ion)電池充電。這種充電器包括一個配備有功率因數校正(PFC)電路的類比數位轉換器(ADC),並由一個電池管理系統(BMS)負責監控。BMS的任務是安全且有效地管理電池的充電和放電過程,並監視其健康狀況。

電氣隔離(或電流隔離)是指在兩個電位不同的點之間沒有電流流通的狀態。更準確地說,這時候不可能將電荷載流子從一個點移動到另一個點,而電能(或訊號)仍然可以透過其他物理現象進行交換,例如透過電磁感應、電容耦合或光。這種狀態等效於兩點之間的電阻無窮大,而在實際設計中,100MΩ等級的電阻就足夠了。

第二個電源設備是DC/DC轉換器,它能夠將電池提供的電壓轉換並降低至12V,以便為各種附件設備供電。還有一個或多個輔助逆變器,用於控制空調系統的壓縮機、水泵、風扇和其他輔助系統。最後,還有一個主逆變器,用於驅動馬達,並管理透過再生制動系統產生的能量來為電池充電,所有這些電路都受到高強度電(數十安培或更高,其峰值電壓可能超過400V)的影響。

此外,包含邏輯部分的電路(例如OBC)必須與汽車應用中常見的低功率通訊匯流排介面相連,例如CAN、LIN和FlexRay。在這些情況下,電流隔離具有雙重功用,不但要確保車輛的電氣安全,還要保護其車載低功率電子電路免受危險的高電壓和大電流損害。

可用於電動和混合動力車輛的電流隔離產品包括隔離變壓器、光耦合器(也稱為光電耦合器)、基於電容的半導體隔離器,以及基於變壓器的半導體隔離器,隔離變壓器利用電磁場將資訊從絕緣屏障的一側傳遞到另一側。光耦合器通常使用LED和光電二極體以光訊號的形式傳輸資訊,為了獲得高度的絕緣性,需要在LED和光電二極體之間插入絕緣帶,使設備可以承受很高的電壓。

基於半導體的隔離使用一對差分電容或一個基於微機電系統(MEMS)的變壓器作為絕緣元件。基於半導體的隔離器與光電耦合器相比具有許多優點,比如更高的耐用性、不會隨時間和溫度的變化而變化的穩定性、更好的抗噪性,以及更高的開關速率。基於半導體的隔離特別適用於汽車應用領域。在汽車應用中使用寬能隙材料元件(例如氮化鎵和碳化矽)要求絕緣系統能夠在更高的溫度下工作,並且能夠承受由高開關頻率產生的電雜訊。

在高壓應用中,絕緣電阻是確定系統能否安全運作的重要因素。絕緣電阻必須定期測量,因為它會由於高電壓和熱應力而導致過早退化,因此,系統包括絕緣電阻測量功能特別重要,這樣可以監控性能下降並在發生故障之前採取預防措施。

圖1 NXP的EV/HEV馬達控制電源逆變器解決方案框架圖。(圖片來源:恩智浦半導體)

相關產品

恩智浦半導體的電動和混合動力車功率逆變器控制參考平台為電動車牽引馬達和DC/DC轉換器提供了完整的解決方案。該參考平台的典型應用如圖1所示,包括多達4塊基於多核心32位元MCU的線路板、一個先進的馬達控制時序(Motor Control Timing)軟體庫和互連電纜。該參考設計通過絕緣閘雙極電晶體(IGBT)閘極驅動器中的電訊號隔離功能,可以有效驅動由400V電源供電的100kW三相馬達。

英飛凌的EiceDRIVER單通道和雙通道汽車IGBT驅動器IC可以提供電流隔離和雙向訊號傳輸,這些產品非常適合汽車應用中的主逆變器系統,因為在這些應用中,效率高、佔用空間小,以及較好的監控功能是強制性要求。EiceDRIVER可以在惡劣的EMC環境中穩定地工作,並通過整合的2A輸出級來驅動高達100A/1,200V的IGBT。其集電極-發射極飽和電壓(VCE(sat))檢測和主動米勒鉗位功能特性進一步完善了該IGBT驅動器IC系列的佈局。

如圖2所示,英飛凌的2ED020I12FA EVALKIT是用於600V/1200V IGBT驅動的2ED020I12FA雙通道隔離式IGBT驅動器評估板,設計人員可以用它評估EiceDRIVER系列提供的功能特性來加速關鍵汽車專案的開發進程。

圖2 2ED020I12FA評估套件。(圖片來源:英飛凌)

電流隔離有兩個主要目標:功能性和安全性。從功能性的角度來看,它可以讓訊號傳輸(主)電路與採集(從)電路分開工作,從而保證獨立的電壓基準,防止雜訊接地回路的形成。從安全角度來看,它可以讓電路和乘車人員避免輸入和輸出電路之間的高壓危險,因為大氣中的過電壓或設備故障會引起危險的高壓。顯然,電流隔離是電動和混合動力車設計的關鍵環節。

(參考原文:Galvanic Isolation in EV and HEV Applications,by B Maurizio di Paolo Emilio)

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