全球汽車OEM皆宣佈將積極推出新型電動車(EV)、混合動力電動車(HEV)和48V輕型混合動力電動車(MHEV)的計畫。純EV正實現兩位數的成長率,48V MHEV系統亦正崛起,為標準內燃機(ICE)的引擎子系統帶來電氣化,且48V輕型混合動力設計的低成本及改造現有傳動系統的能力進一步加速了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元件。這些高瓦數電子設備需要與低壓數位控制器通訊並由其控制,且在控制器和電力系統之間進行電氣隔離。在這些應用中,需要電流隔離(通常是半導體基礎的隔離),以允許數位控制器安全地和現代EV高壓系統進行連接。

EV系統概述

為了與傳統的內燃機車輛競爭,EV/HEV中使用的電池必須具備非常高的能量儲存密度,接近零自漏電流,能夠在幾分鐘而非幾小時內充電。此外,電池管理和相關電源轉換系統必須將尺寸和重量最小化,並且在向電動馬達提供大量的高效供電的同時「啜飲(sip)」電池電流。現代EV/HEV設計在傳動系統和能量儲存/轉換系統中使用模組化元件,EV/HEV電池管理系統通常包括四個主要電路元件:

· 車載充電器(OBC):鋰離子電池提供的能量儲存由OBC進行充電,該充電器由具備功率因數校正(PFC)的交流-直流轉換器組成,並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直流網路,該網路為周邊配件提供電源並向本地開關轉換器提供電源偏置。

· 主逆變器:主逆變器驅動電動馬達,用於再生煞車,並將能量返回到電池。

圖1顯示這些系統,以及需要在EV中控制或通訊的其他子系統。

20181015TA31P1 圖1 EV系統架構範例。

EV系統需要強大的高性能隔離以便與數位控制器連接,進而保護其免受高達300V以上電壓的影響。這些子系統,如圖2中所示的OBC,通常透過CAN匯流排進行控制,CAN匯流排同樣需要與車輛中的其他子系統隔離。

由於高電流和電氣開關,EV中的低壓控制器通常需要在嘈雜的連接上,將數位通訊訊號發送到位於高壓子系統中的其他元件。此外,高壓功率電晶體需要由低壓控制器控制並與其隔離,低壓控制器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,也具備類似的系統要求和隔離需求。表1中所示的隔離元件經常用於允許EV系統中的通訊和控制。

20181015TA31P1-1 表1 電動車輛系統中使用的隔離元件。

雖然EV已經部署了不同類型的隔離技術,但越來越多製造商正轉向半導體基礎的現代隔離技術,不再使用基於光耦合器的舊解決方案。相較於要求嚴格的汽車應用中的光耦合器,這些現代隔離器具備許多優勢,包括更長的使用壽命、溫度和老化的顯著穩定性、更快的開關速度和更好的抗雜訊能力。

隨著汽車供應商採用寬能隙功率電晶體——如氮化鎵(GaN)或碳化矽(SiC)來滿足不斷增加的功率密度,半導體基礎隔離的優勢變得非常重要。這些GaN或SiC系統通常使用更高的開關速度來縮小系統磁性材料的尺寸,卻導致顯著的電氣雜訊,半導體隔離是應對這些更高速度和更多雜訊環境的理想選擇。

縮小這些系統的尺寸並增加功率密度會使工作溫度升高,而對光耦合器產生壓力並降低其性能。半導體基礎的隔離在這些更高的溫度範圍內具備明顯更好的性能和可靠性,使其成為汽車EV設計的理想選擇。

OBC概述

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

20181015TA31P2 圖2 車載充電器系統範例。

OBC系統採用交流輸入源,透過全波整流器轉換為高壓直流匯流排電壓,並提供功率因數校正。產生的直流訊號被截波成開關方形波,用於驅動變壓器以產生所需的輸出直流電壓,使用隔離閘極驅動器(例如Silicon Labs的Si8239x元件)完成輸入訊號的截波。

在隔離閘極驅動器的控制下,可以運用同步場效電晶體(FET)將輸出電壓濾波成最終直流電壓。使用隔離的類比感測器(如Silicon Labs的Si892x元件),輸出電壓能夠被監控,向系統控制器提供反饋迴路。

整個系統可以透過隔離的CAN匯流排進行監控。CAN匯流排透過數位隔離器進行隔離,這些隔離器有時也整合了DC/DC電源轉換器,例如Silicon Labs的Si86xx和Si88xx隔離器。

BMS和CAN匯流排

如圖3所示,這個簡化的BMS系統顯示在與一個EV子系統進行連接時,訊號和電源隔離的重要性。在大多數EV子系統中,CAN匯流排透過數位隔離與該子系統中的高壓隔離,現代數位隔離需要電源為隔離器兩側供電(高壓域和低壓域)。此電源也可為連接到隔離器的其他設備供電,例如CAN匯流排收發器。

在圖3中,高壓域是電池組一側,低壓域是CAN收發器一側。此範例主要關注CAN匯流排介面,但微控制器(MCU)和電池組本身之間可能有額外隔離。

20181015TA31P3 圖3 電池管理系統通訊介面。

藉由使用包含整合DC-DC轉換器的全隔離解決方案,開發人員可以減小系統設計的規模和複雜性。這些具備整合功率轉換器的隔離解決方案,可用於車輛中許多包含CAN匯流排收發器的子系統。

牽引馬達系統中的隔離

為車輪提供動力是EV的最後階段,需要將幾個關鍵的隔離元件整合到設計中。牽引馬達驅動系統需要透過電池的高壓直流輸出來驅動牽引馬達。大多數電動車輛中的牽引馬達是交流感應馬達,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電晶體之間採用隔離驅動器。隔離允許低壓控制器安全的開關高功率電晶體以產生交流波形。此外,馬達控制系統中可能存在隔離的CAN匯流排,並有某些方法可以感測驅動馬達的電流,並監控速度和力矩。圖4所示為一個使用各種數位隔離設備,簡化的牽引馬達控制系統。

20181015TA31P4 圖4 簡化的牽引馬達控制系統。

其他汽車隔離考量

汽車電子必須滿足比工業系統更嚴格的測試和品質標準。大多數汽車客戶需要更嚴格的AEC-Q100認證、遵循ISO/TS 16949審核、更延展的操作溫度範圍(-40~+125℃)和極低的瑕疵率。

這些新增的要求意味著汽車電子供應商需要採取額外措施,確保元件能夠滿足客戶需求。在晶圓廠、元件封裝和最終組裝中進行額外的品質控制。

為提供真正的汽車級元件,這些提高的元件參數也必須得到品質系統和文件的支援,例如生產件核准程序(PPAP)、國際材料數據系統(IMDS)和中國汽車材料數據系統(CAMDS)。

結論

汽車產業電氣化競爭正加速中,每年都有更多車輛來自不同的製造商,EV的數量和類型增加,為電子供應商創造在車輛電力電子系統中,增加設備佔有率的機會。這些驅動系統中的高電壓和雜訊環境需要強大的高性能電流隔離,確保安全可靠的運行,由於不斷提高的瓦數和縮小的EV子系統尺寸持續增加功率密度,產生了嚴格的熱和電氣雜訊條件。半導體基礎的隔離與傳統的光耦合器解決方案相比具備明顯的優勢,使其成為這些高難度EV應用的理想選擇。

與工業客戶相較之下,汽車客戶需要更寬廣的工作溫度範圍、更佳的品質和更嚴謹的文件及系統。而能夠滿足所有這些需求的電子產品供應商,已準備好迎接即將到來的EV浪潮。