电动和混合动力汽车应用中的电流隔离

shuszhao

电动和混合动力汽车（EV和HEV）在全球范围内逐渐普及，但必须承受比汽油动力汽车更高的工作电压和电流，这凸显出电流隔离对于汽车设计的重要性。汽车电气化要求采用大功率设备，例如大家所知的电池、逆变器和再生制动系统，这些设备与数字控制电路的接口要求采用适当的电流隔离技术。
简而言之，电流隔离是指两个电路之间的电流隔离，当将它们分开的绝缘电阻无限大或很大时，就会发生电流隔离，也就是说两个电路之间没有电气连接。


为什么需要电流隔离？

在电动汽车和混合动力汽车中，当两个不同电路的接地处于不同电位时，必须进行电流隔离，以防止触发危险的接地回路。这种接地回路可能会产生噪声，从而危及车辆安全。这类车辆中流过的电流可能对人类造成致命危险，因此最大程度确保其安全性至关重要。

EV和HEV平台通常都使用48V电源总线，并配有高压和高能量密度电池，可以在很短的时间内充满电。EV或HEV中的第一个大功率电路是车载充电器（OBC），用于为锂离子电池充电。这种充电器包括一个配备有功率因数校正（PFC）电路的模数转换器（ADC），并由一个电池管理系统（BMS）负责监控。BMS的任务是安全有效地管理电池的充电和放电过程，并监视其健康状况。
电气隔离（或电流隔离）是指在两个电位不同的点之间没有电流流通的状态。更准确地说，这时候不可能将电荷载流子从一个点移动到另一个点，而电能（或信号）仍然可以通过其他物理现象进行交换，例如通过电磁感应、电容耦合或光。这种状态等效于两点之间的电阻无穷大，而在实际设计中，100MΩ级别的电阻就足够了。
第二个电源设备是DC/DC转换器，它能够将电池提供的电压转换并降低至12V，以便为各种附件设备供电。还有一个或多个辅助逆变器，用于控制空调系统的压缩机、水泵、风扇和其他辅助系统。最后，还有一个主逆变器，用于驱动电机，并管理通过再生制动系统产生的能量来为电池充电。所有这些电路都受到高强度电流（数十安培或更高，其峰值电压可能超过400V）的影响。
此外，包含逻辑部分的电路（例如OBC）必须与汽车应用中常见的低功耗通信总线接口相连，例如控制器局域网（CAN）、本地互连网络（LIN）和FlexRay。在这些情况下，电流隔离具有双重功用，不但要确保车辆的电气安全，还要保护其车载低功率电子电路免受危险的高电压和大电流损害。
可用于电动和混合动力车辆的电流隔离产品包括隔离变压器、光耦合器（也称为光电耦合器）、基于电容的半导体隔离器，以及基于变压器的半导体隔离器。隔离变压器利用电磁场将信息从绝缘屏障的一侧传递到另一侧。光耦合器通常使用LED和光电二极管以光信号的形式传输信息。为了获得高度的绝缘性，需要在LED和光电二极管之间插入绝缘带，使设备可以承受很高的电压。
基于半导体的隔离使用一对差分电容或一个基于微机电系统（MEMS）的变压器作为绝缘元件。基于半导体的隔离器与光电耦合器相比具有许多优点，比如更高的耐用性、不会随时间和温度的变化而变化的稳定性、更好的抗噪性，以及更高的开关速率。基于半导体的隔离特别适合汽车应用领域。在汽车应用中使用宽带隙材料器件（例如氮化镓和碳化硅）要求绝缘系统能够在更高的温度下工作，并且能够承受由高开关频率产生的电气噪声。
在高压应用中，绝缘电阻是确定系统能否安全运行的重要因素。绝缘电阻必须定期测量，因为它会由于高电压和热应力而导致过早老化。因此，系统包括绝缘电阻测量功能特别重要，这样可以监控性能下降并在发生故障之前采取预防措施。

                               
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图1：NXP的EV/HEV电机控制电源逆变器解决方案框图。（图片来源：恩智浦半导体）

产品

恩智浦半导体公司的汽车HEV/EV功率逆变器控制参考平台为EV牵引电机和DC/DC转换器提供了完整的解决方案。该参考平台的典型应用如图1所示，包括多达4块基于多核32位MCU的线路板、一个先进的电机控制时序（Motor Control Timing）软件库和互连电缆。该参考设计通过绝缘栅双极晶体管（IGBT）栅极驱动器中的电信号隔离功能，可以有效驱动由400V电源供电的100kW三相电动机。
英飞凌的EiceDRIVER单通道和双通道汽车IGBT驱动器IC可以提供电流隔离和双向信号传输，这些产品非常适合汽车应用中的主逆变器系统，因为在这些应用中，效率高、占用空间小以及较好的监控功能是强制性要求。EiceDRIVER可以在恶劣的EMC环境中稳定地工作，并通过集成的2A输出级来驱动高达100A/1200V的IGBT。其集电极-发射极饱和电压（VCE（sat））检测和有源米勒钳位功能特性进一步完善了该IGBT驱动器IC系列的布局。
如图2所示，英飞凌的2ED020I12FA EVALKIT是用于600V/1200V IGBT驱动的2ED020I12FA双通道隔离式IGBT驱动器评估板，设计人员可以用它评估EiceDRIVER系列提供的功能特性来加速关键汽车项目的开发进程。

                               
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图2：2ED020I12FA评估套件。（图片来源：英飞凌）

电流隔离有两个主要目标：功能性和安全性。从功能性的角度来看，它可以让信号传输（主）电路与采集（从）电路分开工作，从而保证独立的电压基准，防止噪声接地回路的形成。从安全角度来看，它可以让电路和乘车人员避免输入和输出电路之间的高压危险，因为大气中的过电压或设备故障会引起危险的高压。显然，电流隔离是HEV/EV设计的关键环节。

heming2216

安acp

13713603579

zeosv

好好学习，天天向上

wangyitu

听着好高级的说~

lqsgg

  

armstm32

nick_cai

电动和混合动力汽车应用中的电流隔离 [

快跑啊