電動和混合動力電動汽車(EV 和 HEV)在全球范圍內(nèi)的普及，它們必須承受比汽油動力汽車更高的工作電壓和電流，這凸顯了電氣隔離對汽車設計的重要性。汽車的電氣化要求使用大功率設備——特別是電池、逆變器和再生制動系統(tǒng)——它們與數(shù)字控制電路的接口需要采用適當?shù)碾娏鞲綦x技術。

簡而言之，電流隔離是指兩個電路之間的電氣隔離，當將它們分開的絕緣電阻是無限大或非常高時會發(fā)生這種情況：兩個電路之間沒有電氣連接。

為什么要進行電流隔離?

在 EV 和 HEV 中，當兩個不同電路的接地處于不同的電位時，需要進行電流隔離以防止觸發(fā)危險的接地回路，這會產(chǎn)生可能危及車輛安全的噪聲。在這些類型的車輛中流動的電流可能對人類致命，因此必須確保最高程度的安全性。

EV 和 HEV 平臺一般都使用 48V 電源總線，并配備高壓和高能量密度的電池，可以在很短的時間內(nèi)完成充電。在 EV 或 HEV 中遇到的第一個大功率電路是車載充電器 (OBC)，用于為鋰離子 (Li-ion) 電池充電。該充電器包括一個配備功率因數(shù)校正 (PFC) 電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，并由電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控。BMS 的任務是安全有效地管理電池的充電和放電過程，監(jiān)控電池的健康狀態(tài)。

電氣或電流隔離是在不同電位的兩個點之間不發(fā)生直流循環(huán)的情況。更準確地說，當電能(或信號)仍然可以通過其他物理現(xiàn)象(例如電磁感應、電容耦合或光)交換時，不可能將電荷載流子從一個點移動到另一個點。這種情況相當于兩點之間的無限電阻，即使在實踐中 100 MΩ 量級的電阻就足夠了。

第二個電源設備是 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，能夠?qū)㈦姵靥峁┑碾妷恨D(zhuǎn)換并降低到附件設備通常使用的 12-V 值。還有一臺或多臺輔助逆變器，用于控制空調(diào)系統(tǒng)壓縮機、水泵、風機等輔助系統(tǒng)。最后是主逆變器，用于驅(qū)動電動機并管理再生制動產(chǎn)生的能量為電池充電。所有這些電路都受到峰值電壓可能超過 400 V 的高強度電流(數(shù)十安培或更高)的影響。

此外，包含邏輯部件(如 OBC)的電路必須與汽車應用中常用的低功耗通信總線接口，如控制器局域網(wǎng) (CAN)、本地互連網(wǎng)絡 (LIN) 和 FlexRay。在這些情況下，電流隔離具有確保車輛電氣安全和保護其車載低功率電子電路免受危險電壓和電流水平影響的雙重功能。

可應用于電動和混合動力汽車的電流隔離產(chǎn)品包括隔離變壓器、光耦合器(也稱為光電耦合器)、基于電容器的半導體隔離器和基于變壓器的半導體隔離器。隔離變壓器利用電磁場將信息從絕緣屏障的一側(cè)傳輸?shù)搅硪粋?cè)。光電耦合器通常使用 LED 和光電二極管以光信號的形式傳輸信息。為了獲得高度絕緣，在 LED 和光電二極管之間插入絕緣膠帶，使器件能夠承受非常高的電壓。

基于半導體的隔離使用一對差分電容器或基于微機電系統(tǒng) (MEMS) 的變壓器作為絕緣元件。與光電耦合器相比，基于半導體的隔離器具有許多優(yōu)勢，包括更高的耐用性、更好的時間和溫度穩(wěn)定性、更好的抗噪性和更高的開關速率?；诎雽w的隔離特別適用于汽車領域。在汽車平臺中使用基于寬帶隙材料(如氮化鎵和碳化硅)的組件需要能夠在更高溫度下運行并承受高開關頻率產(chǎn)生的電噪聲的絕緣系統(tǒng)。

在高壓應用中，絕緣電阻是決定系統(tǒng)能否安全運行的重要因素。必須定期測量絕緣電阻，因為它會因高電壓和熱應力而過早退化。因此，系統(tǒng)具有絕緣電阻測量功能以監(jiān)測退化并在發(fā)生故障之前采取預防措施非常重要。

圖 1：恩智浦 EV/HEV 電機控制功率逆變器解決方案框圖(圖片來源：NXP Semiconductors)

產(chǎn)品

NXP Semiconductors 通過其汽車 HEV/EV 功率逆變器控制參考平臺，為 EV 牽引電機和 DC/DC 轉(zhuǎn)換器提供完整的解決方案。該參考平臺的典型應用如圖1所示，包括多達四個基于多核 32 位 MCU 的板、一個高級電機控制時序軟件庫和互連電纜。該參考設計可以使用 400V 電源高效驅(qū)動 100kW 三相電機，并在絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 柵極驅(qū)動器中集成電流信號隔離。

英飛凌的 EiceDRIVER 單通道和雙通道汽車 IGBT 驅(qū)動器 IC 提供電流隔離和雙向信號傳輸。據(jù)英飛凌稱，這些產(chǎn)品非常適合汽車應用中的主要逆變器系統(tǒng)，在這些應用中，效率、節(jié)省空間和監(jiān)控功能是強制性要求。EiceDRIVER 在惡劣的 EMC 環(huán)境中提供穩(wěn)定的運行，并通過其集成的 2-A 輸出級驅(qū)動高達 100-A/1,200-V 的 IGBT。集電極-發(fā)射極飽和電壓 (V ce(sat) ) 檢測和有源米勒鉗位功能完善了這個 IGBT 驅(qū)動器 IC 系列的布局。

英飛凌的 2ED020I12FA EVALKIT，如圖2所示，是用于 600-V/1,200-V IGBT 的 2ED020I12FA 雙通道隔離 IGBT 驅(qū)動器的評估板。該板允許設計人員加速關鍵汽車項目的開發(fā)階段，評估 EiceDRIVER 器件系列提供的功能。

圖 2：2ED020I12FA 評估套件(圖片：英飛凌)

審核編輯：湯梓紅