理解電動汽車系統中的隔離應用

全球汽車制造商（OEM）都在宣布推出新型電動汽車（EV）、混合動力電動汽車（HEV）和48V輕型混合動力電動汽車（MHEV）的積極計劃。純電動汽車正在實現兩位數的增長率。48V MHEV系統正在崛起，將為標準內燃機（ICE）上的發動機子系統帶來電氣化。48V輕型混合動力設計的低成本及其改造現有傳動系統的能力將進一步加速對汽車應用中功率電子設備的需求。

隨著汽車設計轉向電氣化，高瓦數功率電子設備成為新型電子傳動系統和電池系統的關鍵部件。這些高瓦數電子設備需要與低壓數字控制器通信并由其控制，這需要在控制器和電力系統之間進行電氣隔離。在這些應用中，電流隔離（通常是基于半導體的隔離）是必須的，以允許數字控制器安全地和現代EV高壓系統進行連接。

EV系統概述

為了與傳統的ICE車輛進行競爭，EV/HEV中使用的電池必須具有非常高的能量存儲密度，接近零自泄漏電流并且能夠在幾分鐘而不是幾小時內充電。此外，電池管理和相關的電源轉換系統必須具有最小化尺寸和重量，并且在向電動機提供大量的高效供電的時候“啜飲”電池電流。現代EV/HEV設計在傳動系統和能量存儲/轉換系統中使用模塊化部件。EV/HEV電池管理系統通常包括四個主要電路組件：

車載充電器（OBC）：鋰離子電池提供的能量存儲由車載充電器進行充電，該充電器由具有功率因數校正的交流-直流轉換器組成，并由電池管理系統監控。

電池管理系統（BMS）：電池單元由BMS監控和管理，以確保高效和安全。BMS控制各個電池的充電、健康狀態、放電深度和調節。

DC/DC轉換器：DC/DC轉換器將高壓電池連接到內部12V直流網絡，該網絡為配件提供電源并向本地開關轉換器提供偏置。

主逆變器：主逆變器驅動電動機，用于再生制動，并將能量返回到電池。

圖1展示了這些系統以及需要在EV中控制或通信的許多其他子系統。

圖1汽車EV系統架構示例

EV系統需要強大的高性能隔離，以便與數字控制器連接，從而可以保護它們免受高達300V以上電壓的影響。這些子系統，例如圖2中所示的OBC，通常通過CAN總線進行控制，CAN總線同樣需要與車輛中的其他子系統隔離。

由于高電流和電氣開關，EV中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接環境下將數字通信信號發送到位于高壓子系統中的其他組件。此外，高壓功率晶體管需要由低壓控制器控制和隔離，低壓控制器還需要測量系統中其他高壓部分的電流或電壓。

EV之外的其他系統，例如充電樁，具有類似的系統要求和隔離需求。

表1中所示的隔離元器件經常用于EV系統中的通信和控制。

表1電動車輛系統中使用的隔離元器件

雖然在電動汽車中已經使用了不同類型的隔離技術，但制造商正越來越多地轉向基于半導體的現代隔離技術，而不再使用基于光耦合器的舊解決方案。與光耦合器在要求苛刻的汽車應用中相比，這些現代隔離器具有許多優勢，包括更長的使用壽命、顯著提高的溫度和老化的穩定性、更快的開關速度和更高的抗噪性。

隨著汽車供應商采用寬帶隙功率晶體管（如氮化鎵（GaN）或碳化硅（SiC））去滿足不斷增加的功率密度，基于半導體的隔離的優勢變得至關重要。這些GaN或SiC系統通常使用更高的開關速度來減小系統磁性材料的尺寸，但是會導致顯著的更高電噪聲。半導體隔離是應對這些更高速度和更高嘈雜環境的理想選擇。

縮小這些系統的尺寸并增加功率密度會使工作溫度升高，這會使光耦合器過應力并降低其性能。基于半導體的隔離在這些更高的溫度范圍內具有明顯更好的性能和可靠性，這使其成為汽車EV設計的理想選擇。

車載充電器（OBC）概述

OBC系統（參見圖2中的簡化框圖）負責將標準交流充電源轉換為用于對車輛中的電池組充電的直流電壓。此外，OBC還執行其他關鍵功能，如電壓監控和保護。

圖2車載充電器系統示例

OBC系統采用交流輸入源，通過全波整流器將其轉換為高壓直流總線電壓，并提供功率因數校正（PFC）。產生的直流信號被斬波成開關方波，用于驅動變壓器以產生所需的直流輸出電壓。輸入信號的斬波由隔離柵極驅動器（例如Silicon Labs的Si8239x器件）完成。

在隔離柵極驅動器的控制下，可以使用同步場效應晶體管（FET）將輸出電壓濾波成最終直流電壓。使用隔離的模擬傳感器（如SiliconLabs的Si892x器件），輸出電壓能夠被監視，以向系統控制器提供閉環反饋。

整個系統可以通過隔離的CAN總線進行監控。CAN總線通過數字隔離器進行隔離，這些隔離器有時也帶有集成的DC/DC電源轉換器，例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔離器。

電池管理系統（BMS）和CAN總線

如圖3所示，這個簡化的BMS系統展示了在與一個EV子系統進行連接時信號和電源隔離的重要性。在大多數EV子系統中，CAN總線通過數字隔離與該子系統中的高壓隔離。現代數字隔離兩側各需要一個電源為隔離器供電（高壓域和低壓域）。該電源也可為連接到隔離器的其他設備供電，例如CAN總線收發器。

在圖3中，高壓域是電池組一側，低壓域是CAN收發器一側。此示例主要關注CAN總線接口，但微控制器（MCU）和電池組本身之間可能有額外的隔離。

圖3電池管理系統通信接口

通過使用集成DC-DC轉換器的全隔離解決方案，開發人員可以減小整個系統設計的規模和復雜性。這些具有集成功率轉換器的隔離解決方案可用于車輛中的許多包含CAN總線收發器的子系統。

牽引馬達系統中的隔離

為車輪提供動力是EV的最后階段，這需要將幾個關鍵的隔離元器件整合到設計中。牽引馬達驅動系統需要獲取電池的高壓直流輸出并驅動牽引馬達。大多數電動車輛中的牽引馬達是交流感應式的。為了驅動馬達，牽引馬達控制器必須從電池組產生的高壓直流電源線上合成出可變交流波形。

這些系統需要在馬達控制器和功率晶體管之間采用隔離驅動器。隔離允許低壓控制器安全地開關高功率晶體管以產生交流波形。此外，馬達控制系統中可能存在隔離的CAN總線，并且有某些方法可以感測驅動馬達的電流，以監控速度和轉矩。圖4展示了一個使用一系列數字隔離設備的簡化的牽引馬達控制系統。

圖4簡化的牽引馬達控制系統

其他汽車隔離注意事項

汽車電子必須滿足比工業系統更嚴格的測試和質量標準。大多數汽車客戶需要更嚴格的AECQ-100認證、ISO/TS16949審核合規、擴展的工作溫度范圍（-40℃至+125℃）和極低的缺陷率。

這些提高的需求意味著汽車電子供應商需要采取額外措施來確保其組件能夠滿足其客戶的需求。需要在晶圓廠、器件封裝和最終組裝中進行額外的質量控制。

為了提供真正的汽車級器件，這些提高的器件參數也必須得到質量體系和文檔的支持，例如零件生產批準程序（PPAP）、國際材料數據系統（IMDS）和中國汽車材料數據系統（CAMDS）。

結論

汽車行業電氣化的競爭正在加速，每年都有更多車輛來自更多不同制造商。電動汽車的數量和類型的增加為電子供應商創造了在車輛電力電子系統中增加其設備占有率的機會。這些驅動系統中的高電壓和噪聲環境需要強大的高性能電流隔離，以確保安全可靠的運行。由于不斷提高的瓦數和縮小的EV子系統尺寸而帶來的持續增加的功率密度產生了苛刻的熱和電噪聲條件。基于半導體的隔離與傳統的光耦合器解決方案相比具有明顯的優勢，這使其成為這些要求苛刻的EV應用的理想選擇。

與工業客戶相比，汽車客戶需要更寬的工作溫度、更高的質量和更嚴格的文檔和系統。能夠滿足所有這些需求的電子產品供應商正準備好迎接即將到來的EV浪潮。