混合动力汽车通过微变压器提供信号和电源隔离

发表于 2019-04-15 17:27:10 收藏 已收藏
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混合动力汽车通过微变压器提供信号和电源隔离

发表于 2019-04-15 17:27:10
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近年来,随着消费者寻找替代燃料汽车以节约能源并减少CO 2 排放,混合动力汽车越来越受欢迎。电动机比使用汽油的传统内燃机更节能,并且它们可以显着减少排放。虽然电池是混合动力汽车的核心,但由于可靠性,安全性,重量和成本,它们也是采用混合动力汽车的许多障碍的根源。为了克服这些障碍,采用电池监测系统来维持电池的寿命和安全操作。由于其高工作电压,需要复杂的隔离技术。

设计电池监控系统(BMS)存在一些主要挑战,因为在许多HEV中电池组电压可高达400V。需要这种高电压来为电动机提供足够的电力,但是它产生了将电池状态(SOC)电流和电压信号从电池单元传输到微控制器的问题,该微控制器处理来自所有电池的信息以维持安全操作。电池组。为了克服这一障碍,BMS采用电流隔离技术将数据从高压电池传输到车辆其他地方的低压电子设备。传统的隔离解决方案(如光耦合器)并不适用于HEV,因为它们会随着时间的推移而降级,尤其是在预计环境温度较高的汽车环境中;它们也没有足够的带宽来处理电池监控IC和BMS微控制器之间通常使用的高速串行外设接口(SPI)。

另一个主要挑战是除了实现电源隔离外HEV BMS中的信号隔离。硬件保护系统需要到位以在电池侧提供隔离电源,以便隔离器可以将诸如过电压信息的安全信息传递给微控制器,以在硬件故障时适当地关闭系统。安全信息需要不间断,即使存在硬件错误,没有电池电源可供电池监控IC供电。

具有 iso 电源的新型 i 耦合器数字隔离器使用片上变压器提供信号和电源隔离。磁耦合允许信号在隔离栅上传输, i 耦合器器件与光耦合器相比功耗更低。多通道和数字接口的集成使它们非常易于使用,并且可以显着减少元件数量和电路板空间。基于磁耦合的器件性能没有磨损机制,并且随时间和温度的变化很小。

i 耦合器技术与 iso 电源

i 耦合器器件中使用的微型变压器是在CMOS基板上构建的堆叠绕组,它们使用标准半导体处理制造。夹在微变压器的顶部和底部线圈之间的聚酰亚胺膜在晶片级沉积,并提供良好控制的厚度和高结构质量。用于 i 耦合器装置的固化聚酰亚胺膜具有超过400V /μm的介电击穿强度。线圈之间的总厚度为20μm,聚酰亚胺层使器件能够承受超过8kV的瞬时交流电压。由于沉积的聚酰亚胺薄膜没有空隙并且没有电晕放电, i 耦合器装置也表现出良好的老化性能并且在连续的AC或DC电压下工作良好。聚酰亚胺还具有非常高的热稳定性。它的重量损失温度超过500°C,其玻璃化转变温度约为260°C。

逻辑信号在隔离栅上的传输是通过初级侧的适当编码和次级侧的解码实现的。一边恢复输入逻辑信号。具体地说,大约1ns宽的短脉冲通过变压器传输,具有两个连续的短脉冲以指示前沿,并且单个短脉冲作为下降沿。次级处的不可再触发的单稳态产生检测脉冲。如果检测到两个脉冲,则输出设置为HIGH。另一方面,如果检测到单个脉冲,则输出设置为LOW。

为了在隔离栅上传输功率,这些微变压器被谐振切换以实现有效的能量传输,而能量调节通过低频PWM反馈信号实现,该信号控制高频谐振动作的占空比。仍然开着。用于整流的变压器开关和肖特基二极管均采用片内实现。

示出了采用16引脚SOIC封装的完全集成隔离式DC / DC转换器的四通道隔离器的示例实现如图1所示。左侧芯片具有高压CMOS开关,右侧芯片具有整流二极管和转换器控制器。两个交叉耦合开关与变压器一起形成振荡,肖特基二极管用于快速有效的整流。变压器芯片位于中间。这种实现方式将变压器放在单独的芯片上,但原则上,变压器可以放在开关或肖特基二极管的相同芯片上。对于顶部变压器芯片,两个较大的变压器是电力变压器,而小变压器用于传输反馈PWM信号。底部变压器芯片为四通道隔离器提供四个额外的微变压器。左侧芯片和右侧芯片还支持四通道隔离器的编码和解码电路。

完全集成的半桥栅极驱动器,隔离式模拟/数字转换器(ADC)和隔离式收发器HEV中的隔离也需要类似的实现。信号和电源隔离提供功能集成,可显着降低HEV应用的隔离系统的复杂性,尺寸和总成本。

HEV电池监测系统的隔离

更快采用HEV的主要障碍之一是与驱动电动机所需的电池相关的额外成本,重量和安全问题。监测每个电池单元的充电状态(SOC)和健康状态(SOH)是非常重要的。 BMS对于确保电池组的安全运行和最长寿命至关重要。

图2显示了HEV中BMS的示例实现。 AD7280等电池监视器IC监视电池组的SOC,并通过SPI接口与控制器通信。 SPI接口通过ADuM5401隔离,ADuM5401是一个四通道隔离器,带有集成的500mW隔离式DC / DC转换器。除电池监视器IC外,通常还使用冗余硬件保护系统来确保电池单元电压在安全操作范围内。如果发生硬件错误,硬件保护系统将能够通过双通道隔离器ADuM1201与微控制器进行通信,并相应地关闭相关的系统组件。如果电池监视器IC需要五个以上的隔离通道,则可以使用其他更高通道数的器件,如ADuM130x和ADuM140x。 Iso 电源在这里起着非常重要的作用,因为我们需要确保系统保护到位,即使电池电量不足也是如此。 500mW隔离电源可用于为电池侧的硬件保护IC,隔离器以及电池监控器IC内部的ADC提供电源,如果电池端子没有内部稳压器为ADC供电。

如果需要多个电池IC,可以实现每个电池组的专用隔离,尤其是当每个电池组都有自己的模块时。另一种解决方案是利用AD7280等电池监视器IC中的菊花链功能,将SPI命令传递到多个电池监视器IC,而无需使用隔离。只有底部电池组电池监控IC需要通过隔离接口与BMS控制器通信。

BMS控制器还需要通过主车辆CAN总线与其他系统控制器通信。 ADuM1201或ADuM5201可用于在BMS控制器和CAN收发器之间提供隔离。 ADuM5201具有为BMS控制器的CAN收发器提供隔离电源的优势。

HEV电机驱动的隔离

当然,最重要的元素是使HEV改善的电动机与内燃机相比,在某些驾驶条件下的效率。它的隔离需求与工业电机驱动器的隔离需求非常相似。但是,有一些独特的要求。用于驱动HEV中的电动机的逆变器需要更紧凑,重量更轻,高效且可靠。此外,它们需要能够在高温下运行。

在用于HEV的电机驱动系统中,电路的两个主要部分需要隔离。一个是桥式逆变器IGBT的栅极驱动,另一个是电机相电流检测。相电流检测为控制器提供IGBT器件保护和线性电流反馈信息,以维持闭环电流控制。串联分流电阻与逆变器输出端的高精度ADC一起用于检测相电流。需要隔离电源来为电流检测ADC和栅极驱动电路提供偏置,并且每相需要分离的电源。使用 i 耦合器设备可以大大简化交流电机驱动器的复杂信号和电源隔离需求。

低功耗电机驱动器的示例实现如图3所示.ADuM5230是一款半桥栅极驱动器,集成了200mW高端15V电源。它为高端IGBT提供隔离的15V栅极驱动输出,为低端IGBT提供另一个隔离的15V栅极驱动输出。低侧隔离可保护控制器免受来自大型IGBT开关的感应开关瞬变的损坏。通过集成DC / DC转换器产生的15V高端电源为缓冲电路提供电源以驱动大型IGBT,并且还可以与齐纳二极管一起使用以产生3至5V的低电源以为电流供电传感ADC,如AD7401。

AD7401是一款隔离式二阶Σ-Δ调制器,可将模拟输入转换为可与控制器直接连接的高速单位数据流。它从控制器接收时钟,同时将时钟控制的数据流发送回控制器。如果没有集成ADC,则需要多个光耦合器,慢速光耦合器通常不适合传输这种高速数据流。高端栅极驱动器和电流检测ADC均以反相器输出为参考,可以非常快速地切换。 i 具有高共模瞬态抗扰度的耦合器隔离对于保持高端开关和电流检测的数据完整性非常重要。

图3中的红色虚线用于显示隔离栅的位置,蓝色框中显示的电路元件可以复制用于其他相的桥式逆变器。逆变器输出需要彼此隔离,多个半桥栅极驱动器将实现这一点。每个半桥栅极驱动器都会产生自己的栅极驱动信号和高端电源。

为实现紧凑型设计,智能功率模块通常用于HEV。使用智能栅极驱动模块的HEV电机驱动系统实现如图4所示。六个栅极驱动信号通常通过逻辑隔离器隔离,它们为栅极驱动模块提供输入,为高端提供进一步的电平转换或隔离IGBT器件。逻辑隔离有助于控制器和直流链路接地之间的通信,例如将直流链路电压或电流检测信息传递给控制器。

与ADuM5401类似,ADuM5400是一个四通道隔离器集成的DC / DC转换器,可提供高达500mW的隔离电源。它为来自控制器的六个栅极驱动信号中的四个提供隔离。 ADuM1401是另一个四通道隔离器,可为其他两个栅极驱动信号提供隔离。例如,未使用的两个隔离通道可用于控制器和非隔离ADC之间的串行通信,该非隔离ADC可用于HVDC电压感测。 ADuM5400的500mW隔离电源可用于为低端接地的任何逻辑电路供电,例如ADuM1401的输出侧,用于电压检测的ADC。

结论

总之, i 耦合器技术为HEV BMS和电动机驱动系统提供强大的隔离解决方案。它消除了其他隔离解决方案的许多限制。它在单个封装中提供完整的隔离解决方案,可显着减少组件数量和系统成本,简化系统设计,并缩短增量设计时间。它使HEV更高效,更紧凑,更轻便,更可靠。

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