电气隔离在电动汽车中的应用

对于熟悉传统发动机的人来说，纯电动汽车（EV）的引擎盖下面是一番神奇的景象(如图1)。当然，主要区别在于纯电动汽车没有内燃机（ICE, Internal Combustion Engine），而是可能装有电力牵引逆变器。逆变器通常具有相同的尺寸，并且其安装方式类似于传统的发动机。其他系统看起来就不那么熟悉了，但是你很可能辨识出12 V电池这个变化不大的组件。

在非电动汽车（non-EV）中，需要12 V系统为启动马达供电，该启动马达提供内燃机的初始旋转以启动四冲程燃烧循环。鉴于电动汽车不需要启动马达，因此如果发现电动汽车装有12 V电池会让人大为惊讶。但是，大多数电动汽车的电气系统仍以12 V电压运行。在没有内燃机或交流发电机的情况下，必须使用高压牵引电池为12 V系统完全供电。

这提出了一个有趣的设计要求。牵引逆变器系统很可能在800 V左右的DC电压下运行。这个高DC电压会转换为AC，以驱动牵引电机。但是，电动汽车中的牵引电池并不是通过简单地串联多个12 V电池去产生800 V电压，它是一个密封的单元。该高压系统的加入及其在车辆中的作用意味着12 V系统现在通常被当作辅助系统。它为牵引系统（包括牵引控制系统）的所有辅助设备提供动力。

现在，主高压电池负责为12 V辅助系统供电，以使电池保持荷电状态。出于安全考虑，操作时需要在2个电压域之间保持电气隔离。

图1  电动汽车的关键组件（来源： Energy.Gov ）

隔离至关重要

图1是典型的电动汽车示意图，展示了许多功能单位，包括牵引逆变器、温度控制和加热系统以及车载充电器。这些系统在完全不同的电压水平下运行，必须进行电气隔离。电气隔离可防止电流在不同电压域之间流动，同时仍支持数据传输和电能流动。

从历史上看，用于数据传输的电气隔离是通过光学技术，借助LED源和光电二极管接收器实现的。但是，汽车市场尤其是电动汽车市场的需求，刺激了数字隔离技术的开发和应用。

1   辅助电源

辅助电源系统通常由专用模块控制，该模块称为辅助电源模块（APM, Auxiliary Power Module）。这实际上是1个DC-DC转换器，它将牵引电池和转换器的高压（HV）转换为低压（LV）。该低压总线为辅助系统供电，并为12 V电池充电。最初，这似乎是1个相对简单的功能，但是对电气隔离的需求却带来了额外的复杂性。

许多DC-DC转换器拓扑都使用变压器在同一步骤中提供降压和电气隔离。虽然这是隔离高压和低压电路的有效方法，但确实需要额外的转换步骤才能利用变压器。具体而言，需要将高压从DC转换为AC，然后将低压从AC转换回DC。图2中的电路图显示了通用的全桥实现。

图2  APM的电路图（来源： Silicon Labs ）

全桥将DC电压转换为AC电压，因此它可以激励绝缘变压器的初级侧，并在次级侧感应出电流。然后需要将次级侧AC电压转换回DC电压。为了使用较小的磁性元件并减小最终解决方案的尺寸和重量，许多系统使用100 kHz或更高的开关频率。

图2的示例在变压器的初级（HV）侧使用1个全桥，在次级（LV）侧使用1个全桥同步整流器。高压侧开关的选择将基于成本与效率之间的关系，通常会使用IGBT，但较新的APM可能会使用碳化硅（SiC）MOSFET来实现最高效率。

无论采用哪种开关技术，隔离栅极驱动器都起着至关重要的作用。数字隔离栅极驱动器利用CMOS技术来创建器件本身和隔离栅。图3显示了Si8239x隔离栅极驱动器中单个通道的框图，该驱动器使用射频载波穿过隔离栅传递信息。这种数字隔离技术提供了强大的隔离数据路径，该路径易于和其他CMOS技术（如栅极驱动器）集成。

图3  Silicon Labs的汽车级Si8239x隔离栅极驱动器系列的单向状态（来源：  Silicon Labs ）

2   扩展数字隔离

图2所示的电路由APM控制器管理，该控制器生成PWM信号以控制电源开关的栅极驱动器。为了获得最高效率，控制器需要检测所产生的电压，该过程还需要1个隔离解决方案，例如电隔离模拟放大器。将APM连接到更大的汽车控制系统的系统总线也需要隔离。许多设计使用CAN总线，并且APM包含用于CAN总线信号的数字隔离器。具有5kVrms隔离度的多通道数字隔离器，例如Silicon Labs的Si86xx，已针对该应用进行了优化。就像隔离栅极驱动器一样，CMOS隔离栅允许集成高性能模拟和数字I/O功能。

3 结论

向电动汽车的发展给整车厂（OEM）和一级供应商带来了重大的设计挑战。至少到目前为止，保持12 V电源作为辅助电源可通过配套的原有系统简化任务。但是，取消主电源的12 V电池电源（由发动机驱动的交流发电机）会增加辅助电源模块的复杂性。CMOS隔离技术带来的集成方面的进步简化了APM的设计，同时可以在车辆的全生命周期中提供安全可靠的操作。

（注：本文来源于《电子产品世界》2020年12月期）