《電子技術應用》
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混合動力和電動汽車中的數(shù)字隔離技術
摘要: 混合動力和電動汽車(HEV/EV)將400V和更高電壓的設計導入了汽車和交通領域。在嚴酷的汽車環(huán)境中,要應對如此高的電壓和大的電流,就需要高度可靠且可長期穩(wěn)定工作的方案,以便能有效地將此高壓和其它電子功能電路(當然,最重要的是駕駛!)隔離開來。
Abstract:
Key words :
</a>混合動力" title="混合動力">混合動力" title="混合動力">混合動力和電動傳動系統(tǒng),在交通運輸產(chǎn)業(yè)引發(fā)了新的、前所未知的挑戰(zhàn)。原來的12V電壓網(wǎng)絡現(xiàn)在需輔之以400V或更高的電池和電源系統(tǒng),從而對汽車OEM和系統(tǒng)模塊供貨商提出了一系列全新要求。諸如高壓電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、用于驅(qū)動馬達的逆變器,以及連接到230V/380V電網(wǎng)的車載充電器模塊等混合動力/電動車內(nèi)的全部功能,都提出了隔離要求(圖1)。

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圖1:電動車典型系統(tǒng)架構。

  與工業(yè)應用相較,汽車和運輸應用對隔離有著不同要求。堅實可靠當然是必須的,而對磁“噪聲”也必須要有強大抵抗力。車內(nèi)的大功率水平(如工作在400V的100KW馬達,意味著250A的工作電流)會在車內(nèi)產(chǎn)生必須妥善處理的強磁場。所用零件的使用期限必須足夠長以滿足車輛預期壽命要求;例如必須滿足大型運輸應用幾十年的使用要求。用于汽車環(huán)境的產(chǎn)品,將推動對汽車應用質(zhì)量(Q1)的要求,以及要滿足-40至+125℃的工作溫度范圍。

  同時,這些領域的成本壓力,將推動對更高系統(tǒng)整合度的要求,因此,具備隔離功能的單芯片產(chǎn)品,如CAN收發(fā)器、ADC或門極驅(qū)動器等組件就展現(xiàn)出了優(yōu)勢。

不同的數(shù)字隔離技術

  原則上,有四種不同的數(shù)字隔離方法:光、電感式,電容式和射頻式。以下將介紹前三種方法。

  光隔離技術使用透明絕緣隔離層進行光傳輸來實現(xiàn)光隔離。透過驅(qū)動LED(發(fā)光二極管),數(shù)字信號從電轉(zhuǎn)換成光。然后通過隔離層傳輸這個光信號,再用光學檢測組件(光電二極管、光電晶體管)將光信號轉(zhuǎn)換回電信號。

  光隔離的主要優(yōu)點是光對電場或磁場具有免疫力及有可能輸送靜態(tài)信號。在隔離層的接收側(cè)(flipside),光隔離器的工作頻率(傳輸速度)受限于LED相對較慢的特性。對混合動力/電動汽車應用來說,光隔離有限的壽命是一個主要缺點。隨著時間的推移,LED的效率將降低,從而需要加大信號驅(qū)動電流(通常從10mA開始),所以,隨著時間的綿延,這種光隔離終將無法發(fā)揮功用。

  電感隔離使用兩個線圈之間的磁場變化實現(xiàn)跨隔離勢壘(isolation barrier)的通訊。電感隔離法的一個優(yōu)點是共模和差分傳輸間的不同,這意味著它的抗噪能力良好。這種方法的缺點是可能來自磁場的失真,對混合動力/電動汽車應用的馬達控制環(huán)境來說,這種失真很常見。

 

  電容隔離利用穿越隔離勢壘的電場變化。電容隔離法的好處是對磁場的免疫力更強和長的系統(tǒng)壽命。電容隔離與電感隔離法的傳輸速度近似。

 

  但電容隔離法的缺點是沒有差分信號(即:信號和噪聲共享同一信道)。另外,與電感隔離法一樣,它們都不能直接傳輸靜態(tài)信號(必須先與頻率信號進行編碼)。

隔離產(chǎn)品

  一個采用電容隔離法的例子是德州儀器的ISOxxxx系列。圖2是ISO72xx系統(tǒng)簡化架構圖。ISOxxxx組件在單一封裝內(nèi),整合兩個放置在分離型導線架上的裸晶,以及傳送和接收芯片。兩個裸晶間僅透過一條接合線連接。在接收器上實現(xiàn)的實際隔離功能,是采用基于二氧化硅(SiO2,即玻璃)的,以銅和摻雜硅為基板電極的電容(圖3)。使用SiO2可帶來高可靠性和長壽命的優(yōu)點。

混合動力和電動汽車中的數(shù)字隔離技術(電子工程專輯)

圖2:TI的ISO 72xx系列架構圖。

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圖3:TI的ISO72xx系列裸片照片,右側(cè)的接收器芯片上采用了二氧化硅隔離。

  兩個信道同時允許直流和交流通訊,此外,它還具有故障防范功能。

  基本AC信道使用輸入信號,并在過濾后透過由隔離電容組成的差分對傳輸該信號。然后,接收芯片上的施密特觸發(fā)器的輸入端對其進行檢測,最后經(jīng)輸出緩沖器輸出該接收到的信號。它可實現(xiàn)非常高速的傳輸、輕微脈寬失真和短傳輸延遲,但不能發(fā)送DC信號。

  可用DC通道透過隔離勢壘傳送DC(或速度非常低的)信號。芯片上振蕩器將信號編碼為PWM信號,借助與AC信道類似的差分信號越過隔離勢壘進行傳送。在接收芯片端,對信號進行譯碼并送至輸出緩沖器。

  但是,DC信道也用于故障防范功能。例如,如果發(fā)送端的電源電壓不夠高,則振蕩器將停止工作,這就意味著接收端將檢測不到數(shù)據(jù)信號,從而發(fā)出故障指示并輸出高電平。在正常工作(即有足夠的數(shù)據(jù)傳輸密度)時,輸出多任務器將忽略DC通道;但當AC通道在約4us的時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸時,DC信道將得到優(yōu)先權。一旦AC信號有一個跳變,多任務器將立即又切換回該通道。

  有多種隔離組件可用以滿足不同配置(單到四)要求。它們都能在高達150Mbps的數(shù)據(jù)速率下,提供560V的連續(xù)絕緣(4kV峰值瞬態(tài))。另外,這些組件都滿足汽車級應用要求。

可靠性考慮及外部電磁場免疫力

  嚴酷的汽車和交通運輸環(huán)境,加上車輛的長使用壽命等特點,要求組件具有特殊特性。平均無故障時間(MTTF)是確定半導體電路可靠性的一種標準方法。對隔離組件來說,它同時適用于集成電路和隔離原理這兩方面。應使用90%的可信任水平和125℃的環(huán)境溫度進行評測,典型電容和電感組件的平均無故障時間超過2,000年,而FIT(109小時內(nèi)的故障數(shù))在60以內(nèi)。而典型光學組件的平均無故障時間只有30年,F(xiàn)IT將近4,000。

  就對磁場的免疫力來說,圖4比較了感性與容性組件。感性組件和容性組件(ISO721)都具有遠超IEC61000標準的高磁場免疫力。但,容性組件ISO721更勝一籌,這對惡劣的汽車環(huán)境應用特別重要。

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圖4:對外部磁場的免疫力。

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