作者：Baoxing Chen 近年來，為了節(jié)省能源并降低CO2排放，消費者開始熱衷于替代燃料汽車，因而混合動力汽車(HEV)日益受到青睞。與依靠汽油的傳統(tǒng)內(nèi)燃機相比，電動馬達具有更高的能效，并且可以大幅降低排放。電池是HEV的核心所在，但由于可靠性、安全性、重量和成本方面的原因，電池也是阻礙HEV發(fā)展的攔路虎。為了克服這些障礙，必須采用電池監(jiān)控系統(tǒng)，使電池能長時間安全地工作。由于工作電壓很高，因此需要尖端隔離技術。 在許多HEV中，電池組電壓可能高達400V，因此電池監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)設計面臨多項重大挑戰(zhàn)。為了向馬達傳輸足夠多的功率，如此高的電壓是必需的，但它會影響從電池單元到微控制器的充電狀態(tài)(SOC)電流和電壓信號的傳輸；微控制器負責處理來自所有電池的信息，確保電池組安全工作。為了解決這一問題，BMS采用電流隔離技術將高壓電池數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡嚻渌恢玫牡蛪?a target='_blank' class='arckwlink_none'>電子器件。對于HEV，諸如光耦合器之類的傳統(tǒng)隔離解決方案并不理想，因為其性能會隨著時間而下降，這種退化效應在環(huán)境溫度非常高的汽車應用中尤其顯著。另外，光耦合器也沒有足夠的帶寬來處理電池監(jiān)控IC與BMS微控制器之間通常使用的高速串行外設接口(SPI)。 除了HEV BMS的信號隔離之外，另一項重大挑戰(zhàn)是實現(xiàn)電源隔離。需要使用硬件保護系統(tǒng)在電池端提供隔離電源，這樣隔離器就能將過壓等安全信息傳遞至微控制器，從而在發(fā)生硬件故障時適當?shù)仃P斷系統(tǒng)。安全信息必須是不間斷的，即使發(fā)生電池沒電而無法為電池監(jiān)控IC供電這樣的硬件錯誤也不會受到干擾。 集成isoPower的新型iCoupler數(shù)字隔離器利用片上變壓器提供信號和電源隔離。磁耦合支持跨越隔離柵實現(xiàn)信號傳輸，而且iCoupler器件的功耗比光耦合器低得多。多通道和數(shù)字接口集成使其非常易于使用，同時器件數(shù)量和電路板面積也得以減少。基于磁耦合的器件性能不存在減損機制，幾乎不隨時間和溫度而變化。 集成isoPower的iCoupler技術 iCoupler器件中使用的微變壓器是構(gòu)建于CMOS襯底之上的堆疊繞組，采用標準半導體工藝制造而成。夾在微變壓器上下線圈之間的聚酰亞胺膜在晶圓層沉積，提供嚴格控制的厚度和高結(jié)構(gòu)質(zhì)量。聚酰亞胺膜硬化后，其電介質(zhì)擊穿強度超過400V/μm。當線圈之間的聚酰亞胺層總厚度為20μm時，器件可以耐受8kV以上的瞬時交流電壓。由于沉積而成的聚酰亞胺膜沒有空隙，不會發(fā)生電暈放電現(xiàn)象，因此iCoupler器件也具有良好的老化特性，非常適合在連續(xù)的交流或直流電壓下工作。聚酰亞胺還具有非常高的熱穩(wěn)定性，失重溫度超過500°C，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約為260°C。 跨越隔離柵實現(xiàn)邏輯信號傳輸?shù)姆椒ㄊ窃谠催呥M行適當?shù)木幋a，然后在副邊進行解碼，以恢復輸入邏輯信號。具體而言是越過變壓器傳輸約1ns的短脈沖，兩個連續(xù)短脈沖表示前沿，一個短脈沖表示下降沿。副邊的不可再觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)電路產(chǎn)生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，則將輸出設為HIGH（高）。如果只檢測到一個脈沖，則將輸出設為LOW（低）。 為了跨越隔離柵傳輸功率，這些微變壓器以諧振頻??反復開關，從而實現(xiàn)高效率能量傳遞。能量調(diào)節(jié)則通過低頻PWM反饋信號實現(xiàn)，該信號控制高頻諧振動作保持接通的占空比。變壓器開關和用于整流的肖特基二極管均在片上實現(xiàn)。 圖1顯示一個完全集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道隔離器實例，它采用16引腳SOIC封裝。左邊的芯片具備高壓CMOS開關，右邊的芯片則具備整流二極管和轉(zhuǎn)換器控制器。兩個交叉耦合開關與變壓器共同構(gòu)成振蕩電路，肖特基二極管用于快速高效整流。變壓器芯片位于中間。本實例將變器分散在不同的芯片上，但原則上可以將這些變壓器放在開關或肖特基二極管所在的同一芯片上。在上方變壓器芯片中，兩個較大變壓器是電源變壓器，小變壓器則用于傳輸反饋PWM信號。下方變壓器芯片含有該四通道隔離器所用的四個附加微變壓器。左右芯片還含有該四通道隔離器的編碼和解碼電路。 完全集成的半橋柵極驅(qū)動器、隔離模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和隔離收發(fā)器也是HEV隔離所需要的，可以采用類似方式實現(xiàn)。信號和電源隔離所提供的功能集成可以大大降低HEV應用隔離系統(tǒng)的復雜度和總成本，并縮小整體尺寸。 HEV電池監(jiān)控系統(tǒng)的隔離 HEV利用電池驅(qū)動電動馬達，與電池相關的成本、重量和安全問題是影響HEV發(fā)展的一大障礙。監(jiān)控各個電池的充電狀態(tài)(SOC)和運行狀態(tài)(SOH)具有極其重要的意義。電池監(jiān)控系統(tǒng)(BMS)對于確保電池組安全工作并盡可能延長使用時間至關重要。 圖2顯示HEV BMS的一個實例。AD7280等電池監(jiān)控器IC監(jiān)控電池組的SOC，并通過SPI接口與控制器通信。SPI接口通過一個集成500mW隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道隔離器ADuM5401實現(xiàn)隔離。除電池監(jiān)控器IC外，通常還會使用一個冗余硬件保護系統(tǒng)，確保電池電壓在安全工作范圍內(nèi)。發(fā)生硬件錯誤時，硬件保護系統(tǒng)能夠通過一個雙通道隔離器ADuM1201與微控制器通信，并適當關斷相關系統(tǒng)組件。如果電池監(jiān)控器IC需要5個以上的隔離通道，可以使用ADuM130x和ADuM140x等通道數(shù)更高的器件。這里，IsoPower發(fā)揮著重要作用，因為我們需要確保系統(tǒng)保護充分到位，即使電池沒電時也能提供保護。500mW隔離電源可以用來為硬件保護IC和電池端的隔離器供電。如果電池端電極未提供為電池監(jiān)控器IC內(nèi)部的ADC供電的內(nèi)部調(diào)節(jié)器，該隔離電源還可以為ADC供電。 如果需要多個電池監(jiān)控器IC，可以為每個電池組實施專用隔離，特別是當各電池組有其自己的模塊時。另一種解決方案是利用AD7280等電池監(jiān)控器IC的菊花鏈功能，這樣無需隔離便可將SPI命令經(jīng)由多個電池監(jiān)控器IC傳遞出去。只有底部電池組監(jiān)控器IC需要通過隔離接口與BMS控制器通信。BMS控制器還需要通過汽車主CAN總線與其它系統(tǒng)控制器通信。ADuM1201或ADuM5201可以用來提供BMS控制器與CAN收發(fā)器之間的隔離。ADuM5201還有一個優(yōu)勢，可以從BMS控制器向CAN收發(fā)器提供隔離電源。 HEV馬達驅(qū)動的隔離 當然，HEV最重要的部件是電動馬達，正是它提高了某些駕駛條件下的效率，從而優(yōu)于內(nèi)燃機。電動馬達的隔離需求與工業(yè)電機驅(qū)動的情況非常相似。不過，電動馬達有一些特殊要求。用來驅(qū)動HEV電動馬達的逆變器必須更為緊湊，重量更輕，具有高效率，并且高度可靠。此外，它還必須能在高溫下工作。 圖1. 集成isoPower的iCoupler技術圖2. HEV BMS的隔離實現(xiàn)方案 在HEV的馬達驅(qū)動系統(tǒng)中，主要有兩部分電路需要隔離。一是橋式逆變器的IGBT柵極驅(qū)動，二是馬達相位電流檢測。相位電流檢測提供IGBT器件保護和線性電流反饋信息，以便控制器維持閉環(huán)電流控制。通常使用串聯(lián)分流電阻和逆變器輸出端的高精度ADC來檢測相位電流。為電流檢測ADC和柵極驅(qū)動電路提供偏置需要隔離電源，并且各相需要單獨的電源。使用iCoupler器件可以大大簡化交流馬達驅(qū)動的復雜信號和電源隔離需求。 圖3顯示一個低功率馬達驅(qū)動的實例。ADuM5230是集成200mW高端15V電源的半橋柵極驅(qū)動器，它為高端和低端IGBT各提供一個隔離的15V柵極驅(qū)動輸出。低端隔離保護控制器，以免來自大IGBT開關的感應開關瞬變損壞控制器。通過集成DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的15V高端電源驅(qū)動大IGBT的緩沖電路供電，它也可以配合齊納二極管使用，產(chǎn)生3V至5V低壓電源，為AD7401等電流檢測ADC供電。 AD7401是一款隔離的二階Σ-Δ調(diào)制器，用于將模擬輸入轉(zhuǎn)換為高速單比特數(shù)據(jù)流，以便直接與控制器接口。它接收來自控制器的時鐘信號，同時將時控數(shù)據(jù)流送回控制器。如果沒有集成ADC，則需要多個光耦合器，而慢速光耦合器一般并不適合傳輸如此高速的數(shù)據(jù)流。高端柵極驅(qū)動器和電流檢測ADC的地均以可迅速切換的逆變器輸出為參考。具有高共模瞬變抑制性能的iCoupler隔離對于保持高端開關和電流檢測的數(shù)據(jù)完整性非常重要。 圖3中的紅色虛線顯示隔離柵的位置；藍框中的電路器件可以復制，用于其它相位的橋式逆變器。逆變器輸出需要彼此隔離，可以使用多個半橋柵極驅(qū)動器來實現(xiàn)這一點。每個半橋柵極驅(qū)動器產(chǎn)生自己的柵極驅(qū)動信號和高端電源。 為實現(xiàn)緊湊的設計，HEV通常使用智能電源模塊。圖4顯示利用智能柵極驅(qū)動模塊的HEV馬達驅(qū)動系統(tǒng)實現(xiàn)方案。六個柵極驅(qū)動信號一般通過邏輯隔離器隔離，并且向一個柵極驅(qū)動模塊提供輸入，該驅(qū)動模塊為高端IGBT器件提供電平轉(zhuǎn)換或隔離。邏輯隔離有利于控制器與直流鏈路地之間的通信，例如將直流鏈路電壓或電流檢測信息傳遞至控制器。 與ADuM5401相似，ADuM5400也是一款集成DC/DC轉(zhuǎn)換器的四通道隔離器，可提供最高500mW的隔離電源。它將6個柵極驅(qū)動信號中的4個與控制器隔離。另一個四通道隔離器ADuM1401為其余2個柵極驅(qū)動信號提供隔離。未使用的兩個隔離通道可以用于控制器與非隔離ADC（例如用于檢測HVDC電壓）之間的串行通信。ADuM5400提供的500mW隔離電源可以用來為任何以低端地為參考的邏輯電路供電，例如用于電壓檢測的ADuM1401輸出端。 圖3. 使用隔離半橋柵極驅(qū)動器的HEV馬達驅(qū)動實現(xiàn)方案圖4. 使用隔離柵極驅(qū)動模塊的HEV馬達驅(qū)動實現(xiàn)方案 結(jié)論 總而言之，iCoupler技術可以為HEV BMS和電動馬達驅(qū)動系統(tǒng)提供穩(wěn)定的隔離解決方案。與其它隔離解決方案相比，它消除了許多限制。它在單個封裝中提供完整的隔離解決方案，從而能顯著降低器件數(shù)量和系統(tǒng)成本，簡化系統(tǒng)設計，并且縮短遞增的設計時間。iCoupler技術使HEV效率更高、更為緊湊、重量更輕、更加可靠。 (mbbeetchina)