利用隔離放大器應對電動汽車中精確電壓檢測的挑戰
發布時間：2024-12-16 15:53
發布者：eechina
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來源：DigiKey 作者：Kenton Williston 純電動汽車 (EV) 和混合動力電動汽車 (HEV) 的設計者需要滿足對更高性能、更快充電速度和更高效率的需求。在有助于滿足這些需求的許多電子功能中，用于實現最佳功率控制的電壓精確檢測功能就是其中之一。 然而，汽車應用尤其具有挑戰性。盡管存在極端溫度和需要適當隔離的高電壓，但電力電子設備或器件仍必須可靠地運行數十年。這些應用的電壓檢測電路必須具有高帶寬、小誤差、小漂移以及高共模瞬態抗擾度 (CMTI)，并符合 AEC-Q100 等汽車標準。這些要求尤其適用于 EV 和 HEV 的關鍵部件，包括逆變器、DC/DC 轉換器和車載充電器。 基于變壓器的隔離放大器非常適合這些應用。這些器件技術先進，惡劣條件下經過幾十年后仍能保持卓越的性能。 本文探討隔離放大器的工作原理。然后，以采用 Analog Devices iCoupler 技術且基于變壓器的隔離放大器為例，介紹并回顧這類器件在 EV/HEV 開發中的潛在應用，然后介紹一款有助于啟動設計過程的評估板。 基于變壓器的隔離放大器的工作原理 隔離放大器是專門的差分放大器，可在輸入和輸出電路之間提供電氣隔離。這種隔離可通過多種方式實現，但在 EV/HEV 應用中，ADuM3195（圖 1）等基于變壓器的隔離放大器具有獨特的優勢。 
圖 1：ADuM3195 隔離放大器通過變壓器實現隔離。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 在基于變壓器的設計中，隔離是通過變壓器耦合實現的�；竟ぷ髟戆ㄒ韵虏襟E： 1、將輸入信號轉換成高頻載波信號。 2、然后，載波信號通過變壓器跨越隔離屏障進行傳輸。 3、在變壓器次級側，從載波中重新構建原始信號。 變壓器有兩個重要功能。變壓器在輸入和輸出電路之間實現電隔離，因此可安全地測量高電壓并保護敏感電路。此外，變壓器無需跨越隔離屏障進行直接電氣連接就能進行信號傳輸。 基于變壓器的隔離技術在電壓檢測應用方面具有顯著優勢。這種放大器能有效抑制共模電壓，這在嘈雜的電氣環境中至關重要。此外，現代設計還實現了適合許多電力電子應用的寬帶寬。 用于隔離放大器的小型平面變壓器的性能優勢 由 Analog Devices 開發的 iCoupler 技術將隔離放大器的設計向前推進了一大步。iCoupler 器件采用微型平面變壓器，其典型直徑約為 0.5 mm，可實現非常緊湊的解決方案。小巧的外形還能抵御外部磁場，從而提高可可靠性。 iCoupler 性能的核心是聚酰亞胺絕緣層（圖 2）。這種絕緣材料具有很高的熱穩定性和機械穩定性，使器件經久耐用。這種材料能承受超過 10 kV 的浪涌電壓，能在 400 伏均方根 (VRMS) 電壓下長期連續可靠地工作。
圖 2：iCoupler 性能的核心是聚酰亞胺絕緣層。這種絕緣材料具有很高的熱穩定性和機械穩定性。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 在高頻下運行，支持高達每秒 150 兆比特 (Mb/s) 的數據傳輸速度，這是 iCoupler 技術的基本特征之一。這種功能是通過高效的信號編碼方法實現的。數據被編碼為 1 納秒 (ns) 脈沖，可實現快速數據傳輸和低功耗，且每個通道的功耗通常低于 1 毫安 (mA) （圖 3）。
圖 3：高效的編碼方法使 iCoupler 器件能以 150 Mb/s 的速度傳輸數據，且每通道的電流消耗通常小于 1 mA。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） 此外，iCoupler 器件還集成了輸入短時脈沖波干擾濾波器，可降低噪聲并確保信號傳輸的純凈度，從而提高電磁嘈雜的汽車環境下的性能。 汽車級隔離放大器的主要特點 包括 ADuM3195WBRQZ 隔離放大器在內的多款器件都采用了 iCoupler 技術。這款符合 AEC-Q100 標準的 ADuM3195 專為汽車環境而設計。該器件的隔離電壓為 3,000 VRMS，25°C 時輸出失調電壓為 ±6 毫伏 (mV)（最大值），增益誤差為 ±0.5%（最大值），帶寬為 210 千赫茲 (kHz)，增益漂移為 ±27 百萬分之一每 °C (ppm/°C)（最大值），失調漂移為 -22 微伏每 °C (μV/°C)（典型值）。該器件的 CMTI 為 150 kV 每微秒 (kV/µs)（典型值），工作溫度范圍為 -40°C 至 125°C，可配置增益設置，采用 16 引線 QSOP 封裝。 這些特性使 ADuM3195WBRQZ 適合在苛刻的汽車應用中進行準確的隔離電壓測量，具體包括： · 電池管理系統 (BMS) 中的電壓監控 · 電源中的反饋回路 · 變頻器和電機驅動系統 ADuM3195WBRQZ 具有高精度、寬帶寬、低功耗和強隔離能力，是 EV/HEV 系統電壓檢測的特別有效的解決方案。 逆變器、DC/DC 轉換器和車載充電器的隔離放大器要求 ADuM3195WBRQZ 隔離放大器能夠克服包括逆變器、DC/DC 轉換器和車載充電器在內的 EV/HEV 電源系統的關鍵挑戰。 其 210 kHz 的帶寬可實現低于 5 μs 的響應時間，這對于 DC/DC 轉換器中的高效充電、精確的逆變器控制和最小化電壓紋波至關重要。這種高帶寬還支持使用更小的無源器件，支持寬帶隙器件集成，從而提高整體系統效率和功率密度。 ADuM3195WBRQZ 的高阻抗輸入最大限度地減少了與測量相關的功率損耗，并使轉換器和逆變器穩定運行。減少電流消耗還能降低輔助電路上的應力，從而提高系統可靠性。 ADuM3195WBRQZ 耐高溫，可以放置在電機、車載充電器和再生制動系統等發熱元件附近，從而有助于防止熱失控、管理熱循環并避免電力電子器件出現發熱點。 對于處理各種輸出電壓的 DC/DC 轉換器，ADuM3195WBRQZ 的低失調誤差和低失調漂移特性可確保在溫度變化時實現準確的電壓反饋。這種準確度有助于實現精確控制、減少紋波和提高傳動系統性能。 ADuM3195WBRQZ 的 3,000 VRMS 隔離電壓可保護低壓電子設備和用戶不受高壓系統（高達 400 V）的影響。該器件能在 EV 電池系統的功率級和控制電路之間提供有效的噪聲抑制，同時連接低壓系統 (12/48 V)。 通過滿足這些關鍵要求，ADuM3195WBRQZ 提高了 EV/HEV 電源系統的性能、效率和安全性。 值得注意的是，ADuM4195 可滿足更高的系統電壓要求，提供高達 5,000 VRMS 的隔離電壓和高達 800 V 的低壓電子器件保護。 啟動 ADuM3195 的開發 EVAL-ADuM3195EBZ（圖 4）是一款緊湊型評估板，用于測試和評估 ADuM3195 隔離放大器的性能特征。這是一款隔離式電壓監控板，經配置后可用于 DC 和 AC 測量。該電路板經過預配置，可處理高達 1,000 VDC 的（連續）輸入電壓。
圖 4：EVAL-ADuM3195EBZ 評估板專為設置和測試 ADuM3195 而設計。（圖片來源：Analog Devices, Inc.） EVAL-ADuM3195EBZ 評估板的功能在多個方面有助于啟動 EV/HEV 應用開發： · 高電壓隔離和測量：該電路板用于安全測量高達 1,000 V 的高 DC 電壓，這與 EV/HEV 電池系統尤為相關。這使開發人員能夠監控電池組電壓、測量 BMS 中的單電池電壓，并與高壓 DC 母線連接。 · 可配置輸入范圍：輸入分壓器可以調整，以適應 EV/HEV 中常見的不同電壓范圍。例如，許多 EV 通常采用 400 VDC 總線，較新的 EV 架構采用 800 V 系統，而 48 V 輕度混合動力系統的電壓范圍較低。 · AC 測量功能：只需稍加改動，電路板就能測量 AC 電壓，這對電機驅動逆變器的輸出監控、AC 充電系統測量以及高壓線路電磁干擾 (EMI)/噪聲分析很有幫助。 · 低功耗選項：為降低功耗，當需要謹慎用電時，電源禁用 (PDIS) 輸入功能可禁用內部電源。 結束語 EV 和 HEV 設計人員需要在各種子系統中進行精確檢測，以實現性能和能效目標�；谖⑿妥儔浩鞯母綦x放大器（如通過 AEC-Q100 認證的 ADuM3195WBRQZ）非常適合這種應用，該器件集性能、微型化和長使用壽命于一身，能夠滿足關鍵的設計要求。隔離放大器的相關評估板有助于設計人員快速啟動和運行。 |
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