電氣隔離在電動(dòng)汽車中的應(yīng)用

對(duì)于熟悉傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)的人來(lái)說(shuō)，純電動(dòng)汽車（EV）的引擎蓋下面是一番神奇的景象(如圖1)。當(dāng)然，主要區(qū)別在于純電動(dòng)汽車沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)（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(dòng)機(jī)。其他系統(tǒng)看起來(lái)就不那么熟悉了，但是你很可能辨識(shí)出12 V電池這個(gè)變化不大的組件。

在非電動(dòng)汽車（non-EV）中，需要12 V系統(tǒng)為啟動(dòng)馬達(dá)供電，該啟動(dòng)馬達(dá)提供內(nèi)燃機(jī)的初始旋轉(zhuǎn)以啟動(dòng)四沖程燃燒循環(huán)。鑒于電動(dòng)汽車不需要啟動(dòng)馬達(dá)，因此如果發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車裝有12 V電池會(huì)讓人大為驚訝。但是，大多數(shù)電動(dòng)汽車的電氣系統(tǒng)仍以12 V電壓運(yùn)行。在沒(méi)有內(nèi)燃機(jī)或交流發(fā)電機(jī)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(gè)有趣的設(shè)計(jì)要求。牽引逆變器系統(tǒng)很可能在800 V左右的DC電壓下運(yùn)行。這個(gè)高DC電壓會(huì)轉(zhuǎn)換為AC，以驅(qū)動(dòng)牽引電機(jī)。但是，電動(dòng)汽車中的牽引電池并不是通過(guò)簡(jiǎn)單地串聯(lián)多個(gè)12 V電池去產(chǎn)生800 V電壓，它是一個(gè)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(dāng)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(shè)備提供動(dòng)力。

現(xiàn)在，主高壓電池負(fù)責(zé)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(shí)需要在2個(gè)電壓域之間保持電氣隔離。

圖1  電動(dòng)汽車的關(guān)鍵組件（來(lái)源： Energy.Gov ）

隔離至關(guān)重要

圖1是典型的電動(dòng)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(yùn)行，必須進(jìn)行電氣隔離。電氣隔離可防止電流在不同電壓域之間流動(dòng)，同時(shí)仍支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸和電能流動(dòng)。

從歷史上看，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾姎飧綦x是通過(guò)光學(xué)技術(shù)，借助LED源和光電二極管接收器實(shí)現(xiàn)的。但是，汽車市場(chǎng)尤其是電動(dòng)汽車市場(chǎng)的需求，刺激了數(shù)字隔離技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)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(shí)際上是1個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器，它將牽引電池和轉(zhuǎn)換器的高壓（HV）轉(zhuǎn)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(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的功能，但是對(duì)電氣隔離的需求卻帶來(lái)了額外的復(fù)雜性。

許多DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)涠际褂米儔浩髟谕徊襟E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(shí)需要額外的轉(zhuǎn)換步驟才能利用變壓器。具體而言，需要將高壓從DC轉(zhuǎn)換為AC，然后將低壓從AC轉(zhuǎn)換回DC。圖2中的電路圖顯示了通用的全橋?qū)崿F(xiàn)。

圖2  APM的電路圖（來(lái)源： Silicon Labs ）

全橋?qū)C電壓轉(zhuǎn)換為AC電壓，因此它可以激勵(lì)絕緣變壓器的初級(jí)側(cè)，并在次級(jí)側(cè)感應(yīng)出電流。然后需要將次級(jí)側(cè)AC電壓轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)頻率。

圖2的示例在變壓器的初級(jí)（HV）側(cè)使用1個(gè)全橋，在次級(jí)（LV）側(cè)使用1個(gè)全橋同步整流器。高壓側(cè)開(kāi)關(guān)的選擇將基于成本與效率之間的關(guān)系，通常會(huì)使用IGBT，但較新的APM可能會(huì)使用碳化硅（SiC）MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)最高效率。

無(wú)論采用哪種開(kāi)關(guān)技術(shù)，隔離柵極驅(qū)動(dòng)器都起著至關(guān)重要的作用。數(shù)字隔離柵極驅(qū)動(dòng)器利用CMOS技術(shù)來(lái)創(chuàng)建器件本身和隔離柵。圖3顯示了Si8239x隔離柵極驅(qū)動(dòng)器中單個(gè)通道的框圖，該驅(qū)動(dòng)器使用射頻載波穿過(guò)隔離柵傳遞信息。這種數(shù)字隔離技術(shù)提供了強(qiáng)大的隔離數(shù)據(jù)路徑，該路徑易于和其他CMOS技術(shù)（如柵極驅(qū)動(dòng)器）集成。

圖3  Silicon Labs的汽車級(jí)Si8239x隔離柵極驅(qū)動(dòng)器系列的單向狀態(tài)（來(lái)源：  Silicon Labs ）

2   擴(kuò)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(hào)以控制電源開(kāi)關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器。為了獲得最高效率，控制器需要檢測(cè)所產(chǎn)生的電壓，該過(guò)程還需要1個(gè)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(shè)計(jì)使用CAN總線，并且APM包含用于CAN總線信號(hào)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(duì)該應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。就像隔離柵極驅(qū)動(dòng)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(jié)論

向電動(dòng)汽車的發(fā)展給整車廠（OEM）和一級(jí)供應(yīng)商帶來(lái)了重大的設(shè)計(jì)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(guò)配套的原有系統(tǒng)簡(jiǎn)化任務(wù)。但是，取消主電源的12 V電池電源（由發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的交流發(fā)電機(jī)）會(huì)增加輔助電源模塊的復(fù)雜性。CMOS隔離技術(shù)帶來(lái)的集成方面的進(jìn)步簡(jiǎn)化了APM的設(shè)計(jì)，同時(shí)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(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2020年12月期）