電動汽車和充電樁設(shè)計(jì)提出哪些新的光耦驅(qū)動需求？

內(nèi)部存在電池管理、空調(diào)和牽引逆變器等各種子系統(tǒng)，工作條件不一，對功率器件及其驅(qū)動要求不盡相同。同時(shí)，有交/直流之分，充電功率/速度也不相同。這些不同的子系統(tǒng)和電源系統(tǒng)都會廣泛使用光耦器，來進(jìn)行隔離通信、驅(qū)動以及反饋。光耦在傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用中已非常成熟，那么在電動汽車/充電樁這些新興應(yīng)用當(dāng)中，又有怎樣的發(fā)展趨勢和新的性能需求呢?

日前，在由Aspencore旗下《EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì)》、《EET電子工程專輯》和《ESM國際電子商情》共同舉辦的Tech Shanghai設(shè)計(jì)論壇上，博通公司(Broadcom)隔離產(chǎn)品事業(yè)部(前Avago光耦事業(yè)部)產(chǎn)品經(jīng)理陳紅雷帶來“功能全面的光耦驅(qū)動并保護(hù)下一代功率器件”議題，從電動汽車和充電樁兩個(gè)部分探討了光耦在電動汽車市場的新應(yīng)用機(jī)會。(另外在該論壇上，金雅拓高級產(chǎn)品經(jīng)理朱志興和康模數(shù)爾(COMSOL)應(yīng)用工程師施也分別帶來了“軟件安全授權(quán)在汽車電子行業(yè)中的應(yīng)用”和“動力電池研發(fā)中的多物理場仿真解決方案”的議題。)

光耦原理及分類

陳紅雷介紹說，光耦器件分為三大類：數(shù)字光耦、柵極驅(qū)動器和隔離放大器。這三類光耦的基本功能都是提供信號隔離。數(shù)字光耦單純實(shí)現(xiàn)信號隔離。柵極驅(qū)動器在此基礎(chǔ)上增加了電流驅(qū)動能力，從而可對IGBT和MOSFET(包括最新的SiC和GaN)等功率器件的柵極進(jìn)行驅(qū)動。隔離放大器用于反饋通路，將檢測到的電壓、電流等信號返回給MCU進(jìn)行處理。

光耦由LED、隔離介質(zhì)和光敏二極管三部分組成，構(gòu)成發(fā)光、傳輸和感光三個(gè)環(huán)節(jié)。光耦原理簡單，但按照爬電距離、電氣間隙和隔離電壓等安規(guī)條件劃分卻是分門別類。

光耦的應(yīng)用非常廣泛，尤其是在電力電子領(lǐng)域。電動汽車和充電樁等新興產(chǎn)業(yè)，為光耦也帶來不小的機(jī)會。

陳紅雷在會后向筆者透露，汽車電子中一個(gè)趨勢是把電子部分和輪轂集成在一起，通過CAN總線或電力線實(shí)現(xiàn)直接驅(qū)動，這樣可以避免物理傳動的損耗。這種構(gòu)件通常很復(fù)雜且高成本。這樣，半導(dǎo)體器件需要耐高溫、耐振動。對于光耦這種硅基半導(dǎo)體材料，還是有很大挑戰(zhàn)。博通一類(Grade 1)光耦目前也只是達(dá)到125℃，因此對于高轉(zhuǎn)動(也就高溫)電機(jī)的驅(qū)動，需要采用冷卻。

博通也在考慮未來是否可能將耐高溫材料，比如GaN、SiC等，應(yīng)用到柵極驅(qū)動、電流檢測等光耦器件中。另外，發(fā)光二極管本身也需要有技術(shù)突破，能夠耐高溫。比如對于光衰特性，其光耦器件都經(jīng)過了嚴(yán)格的挑選，設(shè)計(jì)也考慮了足夠的裕量。然而，整個(gè)系統(tǒng)溫度進(jìn)一步的上升，對光耦中的LED還是會有新的挑戰(zhàn)。博通也在努力解決中。

電動汽車IGBT需要怎樣的光耦?

如下圖所示，在電動汽車中，牽引逆變器、CAN總線接口、信號傳感、暖通空調(diào)(HVAC)和電源管理系統(tǒng)等等部分都會廣泛用到光耦器。(右邊可以找到相應(yīng)料號，這些都是Broadcom多年來，根據(jù)客戶需求所列出。)

陳紅雷表示，電動汽車中電池管理、空調(diào)系統(tǒng)、牽引逆變器等不同子系統(tǒng)的要求不一樣，比如空調(diào)的工作溫度不太高;而牽引逆變器由于在發(fā)動機(jī)里，耐受溫度需要比較高;電池管理在后端，溫度也不會太高。因此，像DC/DC充電器一般采用MOSFET作為功率器件，也就采用MOSFET驅(qū)動。另外其工作溫度也不一樣，功率容量/驅(qū)動電流通常也不太大。而牽引逆變器要求功率大，要有保護(hù)和反饋等功能，因此驅(qū)動就不同。另外，電池管理總線上做電流監(jiān)控即可，而牽引逆變器就會復(fù)雜一些。

下圖是針對車載充電器、DC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器的柵極驅(qū)動器型號選擇。“ACPL-32JT是市場接受度比較高的一款產(chǎn)品。另外還有ACPL-33JT。ACPL-3540JT是帶發(fā)射極電流檢測的產(chǎn)品。” 陳紅雷介紹。

下圖是采用ACPL-32JT的IGBT模塊，其中集成了6個(gè)通路的IGBT。這個(gè)開發(fā)板非常小巧。

ACFJ-3540T是應(yīng)對汽車當(dāng)中IGBT等功率器件演變而開發(fā)的新器件。某些新IGBT器件在發(fā)射極設(shè)置了電流分支——與射極電流成比例，用于IGBT電流檢測。針對這種新的器件，Broadcom開發(fā)了ACFJ-3540T柵極驅(qū)動器，能夠驅(qū)動IGBT柵極并有效監(jiān)測電流情況。

隔離放大器用于檢測信號并進(jìn)行反饋。Broadcom最新器件是ACPL-C799T和ACPL-C797T這兩款產(chǎn)品，能夠適用于大電流驅(qū)動的市場需求。目前市場上也是出現(xiàn)精密電阻的需求，需要做阻值小、功率高的設(shè)計(jì)。而ACPL-C799T可以做成很小的模塊式產(chǎn)品，能夠直接連接在精密電阻的銅排上;對電流進(jìn)行采樣，并連接到數(shù)字濾波器。

數(shù)字光耦相對比較簡單，應(yīng)用廣泛;將數(shù)字信號從原邊傳到副邊。下圖是其選擇，按照輸入來劃分，有100kBd、100kBd-1MBd和1MBd-15MBd。另外是從工作電壓來劃分;汽車應(yīng)用相對工業(yè)應(yīng)用來說工作電壓較低。

交/直流充電樁利弊對比及驅(qū)動要求

在充電樁部分，從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，即是要把工廠生產(chǎn)的電能傳輸?shù)接脩羝囍袃Υ娌⑹褂?。充電樁可簡單劃分為交流充電?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/直流">直流充電兩種。交流充電是通過車載充電器，將交流變?yōu)橹绷?，來給汽車充電。這種充電方式有車載充電器體積限制和充電功率有限(充電時(shí)間長)這兩個(gè)缺點(diǎn)。直流充電則是直接用直流對電池充電，它通常以固定形式出現(xiàn)，因此允許大功率的快速充電。

“充電樁有交流直流之分，對應(yīng)汽車則有交流充和直流充之分，各有利弊。交流充電利用車載AC/DC轉(zhuǎn)換器將交流轉(zhuǎn)換成直流，給電池充電。直流充電則一般是大功率充電，在車體外有固定的充電器，功率較大、充電效率較高、充電較快。超級充電站則不外乎是更大的功率，可縮短充電時(shí)間。電動汽車發(fā)展一來是要延伸續(xù)航里程，二來是要優(yōu)化充電站距離。

“另外，不管是交流充電還是直流充電，電池所能接收的都是直流電。交流充電需要汽車具有車載充電器，一來體積/功率容量受限制(充電時(shí)間長)，二來必須滿足車規(guī)要求。而直流充電功率就可以非常大(轉(zhuǎn)換在外部)，充電時(shí)間可以大大縮短。但是，其缺點(diǎn)是充電器不能隨車一起跑，只能到有充電樁的地方去充電，而不能隨時(shí)插到電網(wǎng)上去充電。”陳紅雷指出。

對于直流充電，業(yè)界已經(jīng)有一級和二級方案，同時(shí)也在研究三級方案，將汽車電池在5-10分鐘內(nèi)充到80%電量甚至充滿。這樣就能使電動汽車能夠有足夠的里程覆蓋率，而進(jìn)一步推廣。

據(jù)HIS研究機(jī)構(gòu)估計(jì)，到2020年，電動汽車充電站將會有超過1200萬座。

直流快速充電站包括交流輸入、功率因數(shù)校正(FPC)電感、DC/DC轉(zhuǎn)換(包括電池對接)等環(huán)節(jié)。電能轉(zhuǎn)換和傳輸過程當(dāng)中，需要對晶體管的柵極進(jìn)行電流檢測和電壓檢測并進(jìn)行信號通信等等。這些就是光耦的潛在應(yīng)用。下圖右邊是光耦選型詳細(xì)列表。

ACPL-352J是面向電動汽車充電站的較新光耦，適用于IGBT/MOSFET等電壓驅(qū)動型器件(電流性負(fù)載——需要對柵極進(jìn)行電流充電，到一定電壓時(shí)才會導(dǎo)通)。

除了驅(qū)動IGBT柵極外，ACPL-352J還能實(shí)現(xiàn)IGBT柵極檢測，因此可對汽車功能安全提供有效信息。

對于SiC MOSFET/GaN器件，它們的驅(qū)動特性不同，比如工作電壓、開關(guān)速度等等不一樣。同時(shí)，對于這些新的功率器件，Broadcom也開發(fā)出了針對性的參考設(shè)計(jì)。

這些年來，Broadcom/Avago的光耦器件也在持續(xù)不斷的演進(jìn)當(dāng)中(包括驅(qū)動電流、驅(qū)動速度和信號延遲等方面都在不斷改進(jìn)，以及功能安全等新功能的增加)。

ASSR-601J可用于汽車電池或充電樁的漏電檢測，相當(dāng)于固態(tài)繼電器的特性，但可以耐高壓，因此相對于傳統(tǒng)繼電器可以提供更高的可靠性。

對于上述各種光耦，Broadcom都提供了相應(yīng)的開發(fā)板。

另外，陳紅雷告訴筆者，GaN、SiC等新功率器件的優(yōu)點(diǎn)是，可容許更高的開關(guān)頻率，結(jié)溫耐受高。因此對應(yīng)于光耦器件的要求，即工作頻率要快，驅(qū)動電流要大。另外，它們之間的工作電壓和保護(hù)特性(如欠壓鎖定、退飽和)等也不一樣。因此需要選擇不同的光耦器件來驅(qū)動。

光耦中的挑戰(zhàn)，一是高集成度(通道數(shù);受絕緣要求限制)，二是LED上的突破(開發(fā)活化層在下、向下發(fā)光的LED，從而減小體積)。

最后，他強(qiáng)調(diào)，相對微型變壓器或電容來說，光耦雖然隨壽命有光衰，但在做設(shè)計(jì)時(shí)都留有了裕量(有幾十年使用壽命)，這個(gè)問題完全不用擔(dān)心。