【導(dǎo)讀】Silicon Labs副總裁兼電源產(chǎn)品總經(jīng)理Ross Sabolcik近日分享關(guān)于電動(dòng)汽車系統(tǒng)中的隔離應(yīng)用理解。在這些應(yīng)用中，電流隔離（通常是基于半導(dǎo)體的隔離）是必須的，以允許數(shù)字控制器安全地和現(xiàn)代EV高壓系統(tǒng)進(jìn)行連接。
全球汽車制造商（OEM）都在宣布推出新型電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和48V輕型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（MHEV）的積極計(jì)劃。純電動(dòng)汽車正在實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)的增長率。48V MHEV系統(tǒng)正在崛起，將為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)燃機(jī)（ICE）上的發(fā)動(dòng)機(jī)子系統(tǒng)帶來電氣化。48V輕型混合動(dòng)力設(shè)計(jì)的低成本及其改造現(xiàn)有傳動(dòng)系統(tǒng)的能力將進(jìn)一步加速對汽車應(yīng)用中功率電子設(shè)備的需求。
隨著汽車設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向電氣化，高瓦數(shù)功率電子設(shè)備成為新型電子傳動(dòng)系統(tǒng)和電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。這些高瓦數(shù)電子設(shè)備需要與低壓數(shù)字控制器通信并由其控制，這需要在控制器和電力系統(tǒng)之間進(jìn)行電氣隔離。在這些應(yīng)用中，電流隔離（通常是基于半導(dǎo)體的隔離）是必須的，以允許數(shù)字控制器安全地和現(xiàn)代EV高壓系統(tǒng)進(jìn)行連接。
EV系統(tǒng)概述
為了與傳統(tǒng)的ICE車輛進(jìn)行競爭，EV/HEV中使用的電池必須具有非常高的能量存儲密度，接近零自泄漏電流并且能夠在幾分鐘而不是幾小時(shí)內(nèi)充電。此外，電池管理和相關(guān)的電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)必須具有最小化尺寸和重量，并且在向電動(dòng)機(jī)提供大量的高效供電的時(shí)候“啜飲”電池電流。現(xiàn)代EV/HEV設(shè)計(jì)在傳動(dòng)系統(tǒng)和能量存儲/轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中使用模塊化部件。EV/HEV電池管理系統(tǒng)通常包括四個(gè)主要電路組件：
· 車載充電器（OBC）：鋰離子電池提供的能量存儲由車載充電器進(jìn)行充電，該充電器由具有功率因數(shù)校正的交流-直流轉(zhuǎn)換器組成，并由電池管理系統(tǒng)監(jiān)控。
· 電池管理系統(tǒng)（BMS）：電池單元由BMS監(jiān)控和管理，以確保高效和安全。BMS控制各個(gè)電池的充電、健康狀態(tài)、放電深度和調(diào)節(jié)。
· DC/DC轉(zhuǎn)換器：DC/DC轉(zhuǎn)換器將高壓電池連接到內(nèi)部12V直流網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)為配件提供電源并向本地開關(guān)轉(zhuǎn)換器提供偏置。
· 主逆變器：主逆變器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，用于再生制動(dòng)，并將能量返回到電池。
圖1展示了這些系統(tǒng)以及需要在EV中控制或通信的許多其他子系統(tǒng)。
圖1：汽車EV系統(tǒng)架構(gòu)示例
EV系統(tǒng)需要強(qiáng)大的高性能隔離，以便與數(shù)字控制器連接，從而可以保護(hù)它們免受高達(dá)300V以上電壓的影響。這些子系統(tǒng)，例如圖2中所示的OBC，通常通過CAN總線進(jìn)行控制，CAN總線同樣需要與車輛中的其他子系統(tǒng)隔離。
由于高電流和電氣開關(guān)，EV中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接環(huán)境下將數(shù)字通信信號發(fā)送到位于高壓子系統(tǒng)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和隔離，低壓控制器還需要測量系統(tǒng)中其他高壓部分的電流或電壓。
EV之外的其他系統(tǒng)，例如充電樁，具有類似的系統(tǒng)要求和隔離需求。
表1中所示的隔離元器件經(jīng)常用于EV系統(tǒng)中的通信和控制。
表1：電動(dòng)車輛系統(tǒng)中使用的隔離元器件
雖然在電動(dòng)汽車中已經(jīng)使用了不同類型的隔離技術(shù)，但制造商正越來越多地轉(zhuǎn)向基于半導(dǎo)體的現(xiàn)代隔離技術(shù)，而不再使用基于光耦合器的舊解決方案。與光耦合器在要求苛刻的汽車應(yīng)用中相比，這些現(xiàn)代隔離器具有許多優(yōu)勢，包括更長的使用壽命、顯著提高的溫度和老化的穩(wěn)定性、更快的開關(guān)速度和更高的抗噪性。
隨著汽車供應(yīng)商采用寬帶隙功率晶體管（如氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC））去滿足不斷增加的功率密度，基于半導(dǎo)體的隔離的優(yōu)勢變得至關(guān)重要。這些GaN或SiC系統(tǒng)通常使用更高的開關(guān)速度來減小系統(tǒng)磁性材料的尺寸，但是會(huì)導(dǎo)致顯著的更高電噪聲。半導(dǎo)體隔離是應(yīng)對這些更高速度和更高嘈雜環(huán)境的理想選擇。
縮小這些系統(tǒng)的尺寸并增加功率密度會(huì)使工作溫度升高，這會(huì)使光耦合器過應(yīng)力并降低其性能。基于半導(dǎo)體的隔離在這些更高的溫度范圍內(nèi)具有明顯更好的性能和可靠性，這使其成為汽車EV設(shè)計(jì)的理想選擇。
車載充電器（OBC）概述
OBC系統(tǒng)（參見圖2中的簡化框圖）負(fù)責(zé)將標(biāo)準(zhǔn)交流充電源轉(zhuǎn)換為用于對車輛中的電池組充電的直流電壓。此外，OBC還執(zhí)行其他關(guān)鍵功能，如電壓監(jiān)控和保護(hù)。
圖2：車載充電器系統(tǒng)示例
OBC系統(tǒng)采用交流輸入源，通過全波整流器將其轉(zhuǎn)換為高壓直流總線電壓，并提供功率因數(shù)校正（PFC）。產(chǎn)生的直流信號被斬波成開關(guān)方波，用于驅(qū)動(dòng)變壓器以產(chǎn)生所需的直流輸出電壓。輸入信號的斬波由隔離柵極驅(qū)動(dòng)器（例如Silicon Labs的Si8239x器件）完成。
在隔離柵極驅(qū)動(dòng)器的控制下，可以使用同步場效應(yīng)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器件），輸出電壓能夠被監(jiān)視，以向系統(tǒng)控制器提供閉環(huán)反饋。
整個(gè)系統(tǒng)可以通過隔離的CAN總線進(jìn)行監(jiān)控。CAN總線通過數(shù)字隔離器進(jìn)行隔離，這些隔離器有時(shí)也帶有集成的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器，例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔離器。
電池管理系統(tǒng)（BMS）和CAN總線
如圖3所示，這個(gè)簡化的BMS系統(tǒng)展示了在與一個(gè)EV子系統(tǒng)進(jìn)行連接時(shí)信號和電源隔離的重要性。在大多數(shù)EV子系統(tǒng)中，CAN總線通過數(shù)字隔離與該子系統(tǒng)中的高壓隔離。現(xiàn)代數(shù)字隔離兩側(cè)各需要一個(gè)電源為隔離器供電（高壓域和低壓域）。該電源也可為連接到隔離器的其他設(shè)備供電，例如CAN總線收發(fā)器。
在圖3中，高壓域是電池組一側(cè)，低壓域是CAN收發(fā)器一側(cè)。此示例主要關(guān)注CAN總線接口，但微控制器（MCU）和電池組本身之間可能有額外的隔離。
圖3：電池管理系統(tǒng)通信接口
通過使用集成DC-DC轉(zhuǎn)換器的全隔離解決方案，開發(fā)人員可以減小整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的規(guī)模和復(fù)雜性。這些具有集成功率轉(zhuǎn)換器的隔離解決方案可用于車輛中的許多包含CAN總線收發(fā)器的子系統(tǒng)。
牽引馬達(dá)系統(tǒng)中的隔離
為車輪提供動(dòng)力是EV的最后階段，這需要將幾個(gè)關(guān)鍵的隔離元器件整合到設(shè)計(jì)中。牽引馬達(dá)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要獲取電池的高壓直流輸出并驅(qū)動(dòng)牽引馬達(dá)。大多數(shù)電動(dòng)車輛中的牽引馬達(dá)是交流感應(yīng)式的。為了驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，牽引馬達(dá)控制器必須從電池組產(chǎn)生的高壓直流電源線上合成出可變交流波形。
這些系統(tǒng)需要在馬達(dá)控制器和功率晶體管之間采用隔離驅(qū)動(dòng)器。隔離允許低壓控制器安全地開關(guān)高功率晶體管以產(chǎn)生交流波形。此外，馬達(dá)控制系統(tǒng)中可能存在隔離的CAN總線，并且有某些方法可以感測驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的電流，以監(jiān)控速度和轉(zhuǎn)矩。圖4展示了一個(gè)使用一系列數(shù)字隔離設(shè)備的簡化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)。
圖4：簡化的牽引馬達(dá)控制系統(tǒng)
其他汽車隔離注意事項(xiàng)
汽車電子必須滿足比工業(yè)系統(tǒng)更嚴(yán)格的測試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。大多數(shù)汽車客戶需要更嚴(yán)格的AECQ-100認(rèn)證、ISO/TS16949審核合規(guī)、擴(kuò)展的工作溫度范圍（-40℃至+125℃）和極低的缺陷率。
這些提高的需求意味著汽車電子供應(yīng)商需要采取額外措施來確保其組件能夠滿足其客戶的需求。需要在晶圓廠、器件封裝和最終組裝中進(jìn)行額外的質(zhì)量控制。
為了提供真正的汽車級器件，這些提高的器件參數(shù)也必須得到質(zhì)量體系和文檔的支持，例如零件生產(chǎn)批準(zhǔn)程序（PPAP）、國際材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)（IMDS）和中國汽車材料數(shù)據(jù)系統(tǒng)（CAMDS）。
結(jié)論
汽車行業(yè)電氣化的競爭正在加速，每年都有更多車輛來自更多不同制造商。電動(dòng)汽車的數(shù)量和類型的增加為電子供應(yīng)商創(chuàng)造了在車輛電力電子系統(tǒng)中增加其設(shè)備占有率的機(jī)會(huì)。這些驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的高電壓和噪聲環(huán)境需要強(qiáng)大的高性能電流隔離，以確保安全可靠的運(yùn)行。由于不斷提高的瓦數(shù)和縮小的EV子系統(tǒng)尺寸而帶來的持續(xù)增加的功率密度產(chǎn)生了苛刻的熱和電噪聲條件。基于半導(dǎo)體的隔離與傳統(tǒng)的光耦合器解決方案相比具有明顯的優(yōu)勢，這使其成為這些要求苛刻的EV應(yīng)用的理想選擇。
與工業(yè)客戶相比，汽車客戶需要更寬的工作溫度、更高的質(zhì)量和更嚴(yán)格的文檔和系統(tǒng)。能夠滿足所有這些需求的電子產(chǎn)品供應(yīng)商正準(zhǔn)備好迎接即將到來的EV浪潮。
關(guān)于作者
Ross Sabolcik
Silicon Labs副總裁兼電源產(chǎn)品總經(jīng)理
Ross Sabolcik是Silicon Labs副總裁兼電源產(chǎn)品總經(jīng)理，負(fù)責(zé)監(jiān)理公司的數(shù)字隔離器、隔離柵極驅(qū)動(dòng)器、隔離FET驅(qū)動(dòng)器、電流傳感器和以太網(wǎng)供電（PoE）產(chǎn)品。這些產(chǎn)品廣泛用于工業(yè)、綠色能源、汽車和消費(fèi)電子應(yīng)用。Sabolcik先生于1999年加入Silicon Labs，并擔(dān)任過公司sub-GHz無線產(chǎn)品的營銷總監(jiān)、廣播產(chǎn)品的應(yīng)用和系統(tǒng)工程總監(jiān)、有線產(chǎn)品應(yīng)用工程總監(jiān)，以及有線產(chǎn)品的應(yīng)用工程經(jīng)理。在加入Silicon Labs之前，Sabolcik先生曾在National Instruments工作，負(fù)責(zé)管理嵌入式軟件的產(chǎn)品開發(fā)，以及精密PC儀器的板級硬件設(shè)計(jì)。此外，他擁有倫斯勒理工學(xué)院計(jì)算機(jī)和系統(tǒng)工程碩士學(xué)位和賓夕法尼亞州立大學(xué)電子工程學(xué)士學(xué)位。
