汽车应用中的电流隔离

电动和混合动力电动汽车(EV 和 HEV)在全球范围内的普及，它们必须承受比汽油动力汽车更高的工作电压和电流，这凸显了电气隔离对汽车设计的重要性。汽车的电气化要求使用大功率设备——特别是电池、逆变器和再生制动系统——它们与数字控制电路的接口需要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气隔离，当将它们分开的绝缘电阻是无限大或非常高时会发生这种情况：两个电路之间没有电气连接。

为什么要进行电流隔离?

在 EV 和 HEV 中，当两个不同电路的接地处于不同的电位时，需要进行电流隔离以防止触发危险的接地回路，这会产生可能危及车辆安全的噪声。在这些类型的车辆中流动的电流可能对人类致命，因此必须确保最高程度的安全性。

EV 和 HEV 平台一般都使用 48V 电源总线，并配备高压和高能量密度的电池，可以在很短的时间内完成充电。在 EV 或 HEV 中遇到的第一个大功率电路是车载充电器 (OBC)，用于为锂离子 (Li-ion) 电池充电。该充电器包括一个配备功率因数校正 (PFC) 电路的模数转换器(ADC)，并由电池管理系统 (BMS) 监控。BMS 的任务是安全有效地管理电池的充电和放电过程，监控电池的健康状态。

电气或电流隔离是在不同电位的两个点之间不发生直流循环的情况。更准确地说，当电能(或信号)仍然可以通过其他物理现象(例如电磁感应、电容耦合或光)交换时，不可能将电荷载流子从一个点移动到另一个点。这种情况相当于两点之间的无限电阻，即使在实践中 100 MΩ 量级的电阻就足够了。

第二个电源设备是 DC/DC 转换器，能够将电池提供的电压转换并降低到附件设备通常使用的 12-V 值。还有一台或多台辅助逆变器，用于控制空调系统压缩机、水泵、风机等辅助系统。最后是主逆变器，用于驱动电动机并管理再生制动产生的能量为电池充电。所有这些电路都受到峰值电压可能超过 400 V 的高强度电流(数十安培或更高)的影响。

此外，包含逻辑部件(如 OBC)的电路必须与汽车应用中常用的低功耗通信总线接口，如控制器局域网 (CAN)、本地互连网络 (LIN) 和 FlexRay。在这些情况下，电流隔离具有确保车辆电气安全和保护其车载低功率电子电路免受危险电压和电流水平影响的双重功能。

可应用于电动和混合动力汽车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)、基于电容器的半导体隔离器和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输到另一侧。光电耦合器通常使用 LED 和光电二极管以光信号的形式传输信息。为了获得高度绝缘，在 LED 和光电二极管之间插入绝缘胶带，使器件能够承受非常高的电压。

基于半导体的隔离使用一对差分电容器或基于微机电系统 (MEMS) 的变压器作为绝缘元件。与光电耦合器相比，基于半导体的隔离器具有许多优势，包括更高的耐用性、更好的时间和温度稳定性、更好的抗噪性和更高的开关速率。基于半导体的隔离特别适用于汽车领域。在汽车平台中使用基于宽带隙材料(如氮化镓和碳化硅)的组件需要能够在更高温度下运行并承受高开关频率产生的电噪声的绝缘系统。

在高压应用中，绝缘电阻是决定系统能否安全运行的重要因素。必须定期测量绝缘电阻，因为它会因高电压和热应力而过早退化。因此，系统具有绝缘电阻测量功能以监测退化并在发生故障之前采取预防措施非常重要。

图 1：恩智浦 EV/HEV 电机控制功率逆变器解决方案框图(图片来源：NXPSemiconductors)

产品

NXP Semiconductors 通过其汽车 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，包括多达四个基于多核 32 位 MCU 的板、一个高级电机控制时序软件库和互连电缆。该参考设计可以使用 400V 电源高效驱动 100kW 三相电机，并在绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 栅极驱动器中集成电流信号隔离。

英飞凌的 EiceDRIVER 单通道和双通道汽车 IGBT 驱动器 IC 提供电流隔离和双向信号传输。据英飞凌称，这些产品非常适合汽车应用中的主要逆变器系统，在这些应用中，效率、节省空间和监控功能是强制性要求。EiceDRIVER 在恶劣的 EMC 环境中提供稳定的运行，并通过其集成的 2-A 输出级驱动高达 100-A/1,200-V 的 IGBT。集电极-发射极饱和电压 (V ce(sat) ) 检测和有源米勒钳位功能完善了这个 IGBT 驱动器 IC 系列的布局。

英飞凌的 2ED020I12FA EVALKIT，如图2所示，是用于 600-V/1,200-V IGBT 的 2ED020I12FA 双通道隔离 IGBT 驱动器的评估板。该板允许设计人员加速关键汽车项目的开发阶段，评估 EiceDRIVER 器件系列提供的功能。

图 2：2ED020I12FA 评估套件(图片：英飞凌)