微型变压器为混合动力电动汽车提供信号和电源隔离

近年来，随着消费者寻找替代燃料汽车来节约能源和减少一氧化碳，混合动力电动汽车越来越受欢迎2排放。电动机比使用汽油的传统内燃机更节能，并且可以大大减少排放。虽然电池是HEV的核心，但由于可靠性，安全性，重量和成本，它们也是采用HEV的许多障碍的来源。为了克服这些障碍，采用了电池监控系统来保持电池的使用寿命和安全运行。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）有几个主要挑战，因为许多HEV的电池组电压可能高达400V。需要这种高电压才能向电机提供足够的功率，但它会产生一个问题，即将充电状态（SOC）电流和电压信号从电池单元传输到微控制器，微控制器处理来自所有电池的信息以保持电池组的安全运行。为了绕过这一障碍，BMS采用电流隔离将数据从高压电池传输到车辆其他地方的低压电子设备。光耦合器等传统隔离解决方案不适合HEV，因为它们会随着时间的推移而退化，特别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通常在电池监控IC和BMS微控制器之间使用的高速串行外设接口（SPI）。

另一个主要挑战是除了HEV BMS中的信号隔离之外，还要实现电源隔离。硬件保护系统需要到位，在电池侧提供隔离电源，以便隔离器可以将过压信息等安全信息传递给微控制器，以便在发生硬件故障时适当关闭系统。安全信息需要不间断，即使存在硬件错误，即没有电池电源为电池监控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。磁耦合允许信号跨越隔离栅传输，与光耦合器相比，i耦合器器件消耗的功率要少得多。多通道和数字接口的集成使其非常易于使用，并显著减少了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，随时间和温度变化不大。

我带 iso电源的耦合器技术

i耦合器器件中使用的微变压器是建立在CMOS基板上的堆叠绕组，采用标准半导体工艺制造。夹在微变压器顶部和底部线圈之间的聚酰亚胺薄膜沉积在晶圆级，并提供良好控制的厚度和高结构质量。i耦合器器件中使用的固化聚酰亚胺薄膜具有超过400V/μm的介电击穿强度。聚酰亚胺层之间的线圈总厚度为20μm，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不会遭受电晕放电，因此i耦合器器件还具有良好的老化性能，并且在连续的交流或直流电压下工作良好。聚酰亚胺还具有非常高的热稳定性。其失重温度超过500°C，玻璃化转变温度约为260°C。

逻辑信号跨越隔离栅的传输是通过在初级侧进行适当的编码和在次级侧进行解码来实现的，以恢复输入逻辑信号。特别是宽约1ns的短脉冲通过变压器传输，两个连续的短脉冲指示前沿，单个短脉冲作为下降沿。次级的不可再触发单稳态产生检测脉冲。如果检测到两个脉冲，则输出设置为高电平。另一方面，如果检测到单个脉冲，则输出设置为低电平。

为了跨隔离栅传输功率，这些微型变压器进行谐振切换以实现高效的能量传输，同时通过低频PWM反馈信号实现能量调节，该信号控制高频谐振动作的占空比。用于整流的变压器开关和肖特基二极管均在片内实现。

图1显示了采用16引脚SOIC封装的四通道隔离器与完全集成隔离式DC/DC转换器的实现示例。左芯片有高压CMOS开关，右边芯片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高效的整流。变压器芯片位于中间。这种实现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，而小型变压器用于传输反馈PWM信号。底部变压器芯片可容纳四个额外的微变压器，用于四通道隔离器。左芯片和右芯片还保存四通道隔离器的编解码电路。

图 1：采用 iso电源的 i耦合器技术

完全集成的半桥栅极驱动、隔离式模数转换器（ADC）和隔离式收发器也是HEV隔离所必需的，也可以类似地实现。信号和电源隔离提供功能集成，可显著降低HEV应用隔离系统的复杂性、尺寸和总成本。

HEV电池监控系统的隔离

加速采用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） 非常重要。BMS对于确保电池组的安全操作和最长使用寿命至关重要。

图 2 显示了 HEV 中 BMS 的示例实现。AD7280等电池监控器IC监控电池组的SOC，并通过SPI接口与控制器通信。SPI接口通过ADuM5401进行隔离，ADuM5401是一款四通道隔离器，集成500mW隔离式DC/DC转换器。除电池监控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工作范围内。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与微控制器通信，并适当地关断相关系统组件。如果电池监控器IC需要5个以上的隔离通道，则可以使用其他通道数更高的器件，如ADuM130x和ADuM140x。矶电源在这里起着非常重要的作用，因为即使电池电源不可用，我们也需要确保系统保护到位。500mW隔离电源可用于为硬件保护IC和电池侧的隔离器供电，如果电池端子没有内部稳压器为ADC上电，也可用于为电池监控器IC内的ADC供电。

图 2：HEV 中 BMS 的隔离实现

如果需要多个电池IC，则可以为每个电池组实现专用隔离，特别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等电池监控器IC中的菊花链功能，在多个电池监控器IC之间传递SPI命令，而无需使用隔离。只有底部堆栈电池监控器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的优势在于可以从BMS控制器为CAN收发器提供隔离电源。

HEV电机驱动的隔离

当然，最重要的元素是电动机，与内燃机相比，使HEV在某些驾驶条件下提高效率。其隔离需求与工业电机驱动器非常相似。但是，有一些独特的要求。用于驱动HEV中电动机的逆变器需要更紧凑，重量更轻，高效可靠。此外，它们需要能够在高温下运行。

在HEV的电机驱动系统中，电路有两个主要部分需要隔离。一种是桥式逆变器IGBT的栅极驱动，另一种是电机相电流检测。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，以保持闭环电流控制。串联分流电阻器与逆变器输出端的高精度ADC一起通常用于检测相电流。需要隔离电源为电流检测ADC和栅极驱动电路提供偏置，并且每相都需要单独的电源。使用i耦合器器件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。

低功率电机驱动器的实现示例如图3所示。ADuM5230是一款半桥栅极驱动器，集成200mW高边15V电源。它为高端IGBT提供隔离式15V栅极驱动输出，为低侧IGBT提供另一个隔离式15V栅极驱动输出。低侧隔离可保护控制器免受来自大IGBT开关的电感开关瞬变的损坏。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，也可以与齐纳二极管一起使用，以产生3至5V的低电源，为AD7401等电流检测ADC供电。

图 3：使用隔离式半桥栅极驱动器的 HEV 电机驱动实现

AD7401是一款隔离式二阶Σ-Δ调制器，可将模拟输入转换为高速单位数据流，可直接与控制器接口。它从控制器接收时钟，同时将时钟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，而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的接地均以逆变器输出为参考，逆变器输出可以非常快速地切换。我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中的红虚线用于显示隔离栅的位置，蓝框中显示的电路元件可以复制到其他相位的桥式逆变器中。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将产生自己的栅极驱动信号和高端电源。

为了实现紧凑的设计，HEV中经常使用智能功率模块。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，为高边IGBT器件提供进一步的电平转换或隔离。逻辑隔离有助于控制器和直流母线接地之间的通信，例如将直流母线电压或电流检测信息传递给控制器。

图 4：使用隔离式栅极驱动模块实现 HEV 电机驱动

与ADuM5401类似，ADuM5400是一款四通道隔离器，集成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，为其他两个栅极驱动信号提供隔离。未使用的两个隔离通道可用于控制器与非隔离ADC之间的串行通信，例如，可用于HVDC电压检测。ADuM5400的500mW隔离电源可用于为基准电压源的任何逻辑电路上电，例如ADuM1401的输出侧，ADuM1401是用于电压检测的ADC。

结论

总之，i耦合器技术为HEV BMS和电动机驱动系统提供了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，从而显著减少元件数量和系统成本，简化系统设计，并减少增量设计时间。它使HEV更高效，更紧凑，更轻，更可靠。

审核编辑：郭婷