電氣隔離在電動汽車中的應用

對于熟悉傳統(tǒng)發(fā)動機的人來說，純電動汽車（EV）的引擎蓋下面是一番神奇的景象(如圖1)。當然，主要區(qū)別在于純電動汽車沒有內燃機（ICE, Internal Combustion Engine），而是可能裝有電力牽引逆變器。逆變器通常具有相同的尺寸，并且其安裝方式類似于傳統(tǒng)的發(fā)動機。其他系統(tǒng)看起來就不那么熟悉了，但是你很可能辨識出12 V電池這個變化不大的組件。

在非電動汽車（non-EV）中，需要12 V系統(tǒng)為啟動馬達供電，該啟動馬達提供內燃機的初始旋轉以啟動四沖程燃燒循環(huán)。鑒于電動汽車不需要啟動馬達，因此如果發(fā)現(xiàn)電動汽車裝有12 V電池會讓人大為驚訝。但是，大多數(shù)電動汽車的電氣系統(tǒng)仍以12 V電壓運行。在沒有內燃機或交流發(fā)電機的情況下，必須使用高壓牽引電池為12 V系統(tǒng)完全供電。

這提出了一個有趣的設計要求。牽引逆變器系統(tǒng)很可能在800 V左右的DC電壓下運行。這個高DC電壓會轉換為AC，以驅動牽引電機。但是，電動汽車中的牽引電池并不是通過簡單地串聯(lián)多個12 V電池去產生800 V電壓，它是一個密封的單元。該高壓系統(tǒng)的加入及其在車輛中的作用意味著12 V系統(tǒng)現(xiàn)在通常被當作輔助系統(tǒng)。它為牽引系統(tǒng)（包括牽引控制系統(tǒng)）的所有輔助設備提供動力。

現(xiàn)在，主高壓電池負責為12 V輔助系統(tǒng)供電，以使電池保持荷電狀態(tài)。出于安全考慮，操作時需要在2個電壓域之間保持電氣隔離。

圖1  電動汽車的關鍵組件（來源： Energy.Gov ）

隔離至關重要

圖1是典型的電動汽車示意圖，展示了許多功能單位，包括牽引逆變器、溫度控制和加熱系統(tǒng)以及車載充電器。這些系統(tǒng)在完全不同的電壓水平下運行，必須進行電氣隔離。電氣隔離可防止電流在不同電壓域之間流動，同時仍支持數(shù)據傳輸和電能流動。

從歷史上看，用于數(shù)據傳輸?shù)碾姎飧綦x是通過光學技術，借助LED源和光電二極管接收器實現(xiàn)的。但是，汽車市場尤其是電動汽車市場的需求，刺激了數(shù)字隔離技術的開發(fā)和應用。

1   輔助電源

輔助電源系統(tǒng)通常由專用模塊控制，該模塊稱為輔助電源模塊（APM, Auxiliary Power Module）。這實際上是1個DC-DC轉換器，它將牽引電池和轉換器的高壓（HV）轉換為低壓（LV）。該低壓總線為輔助系統(tǒng)供電，并為12 V電池充電。最初，這似乎是1個相對簡單的功能，但是對電氣隔離的需求卻帶來了額外的復雜性。

許多DC-DC轉換器拓撲都使用變壓器在同一步驟中提供降壓和電氣隔離。雖然這是隔離高壓和低壓電路的有效方法，但確實需要額外的轉換步驟才能利用變壓器。具體而言，需要將高壓從DC轉換為AC，然后將低壓從AC轉換回DC。圖2中的電路圖顯示了通用的全橋實現(xiàn)。

圖2  APM的電路圖（來源： Silicon Labs ）

全橋將DC電壓轉換為AC電壓，因此它可以激勵絕緣變壓器的初級側，并在次級側感應出電流。然后需要將次級側AC電壓轉換回DC電壓。為了使用較小的磁性元件并減小最終解決方案的尺寸和重量，許多系統(tǒng)使用100 kHz或更高的開關頻率。

圖2的示例在變壓器的初級（HV）側使用1個全橋，在次級（LV）側使用1個全橋同步整流器。高壓側開關的選擇將基于成本與效率之間的關系，通常會使用IGBT，但較新的APM可能會使用碳化硅（SiC）MOSFET來實現(xiàn)最高效率。

無論采用哪種開關技術，隔離柵極驅動器都起著至關重要的作用。數(shù)字隔離柵極驅動器利用CMOS技術來創(chuàng)建器件本身和隔離柵。圖3顯示了Si8239x隔離柵極驅動器中單個通道的框圖，該驅動器使用射頻載波穿過隔離柵傳遞信息。這種數(shù)字隔離技術提供了強大的隔離數(shù)據路徑，該路徑易于和其他CMOS技術（如柵極驅動器）集成。

圖3  Silicon Labs的汽車級Si8239x隔離柵極驅動器系列的單向狀態(tài)（來源：  Silicon Labs ）

2   擴展數(shù)字隔離

圖2所示的電路由APM控制器管理，該控制器生成PWM信號以控制電源開關的柵極驅動器。為了獲得最高效率，控制器需要檢測所產生的電壓，該過程還需要1個隔離解決方案，例如電隔離模擬放大器。將APM連接到更大的汽車控制系統(tǒng)的系統(tǒng)總線也需要隔離。許多設計使用CAN總線，并且APM包含用于CAN總線信號的數(shù)字隔離器。具有5kVrms隔離度的多通道數(shù)字隔離器，例如Silicon Labs的Si86xx，已針對該應用進行了優(yōu)化。就像隔離柵極驅動器一樣，CMOS隔離柵允許集成高性能模擬和數(shù)字I/O功能。

3 結論

向電動汽車的發(fā)展給整車廠（OEM）和一級供應商帶來了重大的設計挑戰(zhàn)。至少到目前為止，保持12 V電源作為輔助電源可通過配套的原有系統(tǒng)簡化任務。但是，取消主電源的12 V電池電源（由發(fā)動機驅動的交流發(fā)電機）會增加輔助電源模塊的復雜性。CMOS隔離技術帶來的集成方面的進步簡化了APM的設計，同時可以在車輛的全生命周期中提供安全可靠的操作。

（注：本文來源于《電子產品世界》2020年12月期）