近年來，隨著消費者尋找替代燃料汽車來節約能源和減少一氧化碳，混合動力電動汽車越來越受歡迎2排放。電動機比使用汽油的傳統內燃機更節能，并且可以大大減少排放。雖然電池是HEV的核心，但由于可靠性，安全性，重量和成本，它們也是采用HEV的許多障礙的來源。為了克服這些障礙，采用了電池監控系統來保持電池的使用壽命和安全運行。由于其高工作電壓，需要復雜的隔離技術。

設計電池監控系統（BMS）有幾個主要挑戰，因為許多HEV的電池組電壓可能高達400V。需要這種高電壓才能向電機提供足夠的功率，但它會產生一個問題，即將充電狀態（SOC）電流和電壓信號從電池單元傳輸到微控制器，微控制器處理來自所有電池的信息以保持電池組的安全運行。為了繞過這一障礙，BMS采用電流隔離將數據從高壓電池傳輸到車輛其他地方的低壓電子設備。光耦合器等傳統隔離解決方案不適合HEV，因為它們會隨著時間的推移而退化，特別是在預計環境溫度較高的汽車環境中;它們也沒有足夠的帶寬來處理通常在電池監控IC和BMS微控制器之間使用的高速串行外設接口（SPI）。

另一個主要挑戰是除了HEV BMS中的信號隔離之外，還要實現電源隔離。硬件保護系統需要到位，在電池側提供隔離電源，以便隔離器可以將過壓信息等安全信息傳遞給微控制器，以便在發生硬件故障時適當關閉系統。安全信息需要不間斷，即使存在硬件錯誤，即沒有電池電源為電池監控IC供電。

具有iso電源的新型i耦合器數字隔離器使用片上變壓器提供信號和電源隔離。磁耦合允許信號跨越隔離柵傳輸，與光耦合器相比，i耦合器器件消耗的功率要少得多。多通道和數字接口的集成使其非常易于使用，并顯著減少了元件數量和電路板空間。基于磁耦合的器件性能沒有磨損機制，隨時間和溫度變化不大。

我帶 iso電源的耦合器技術

i耦合器器件中使用的微變壓器是建立在CMOS基板上的堆疊繞組，采用標準半導體工藝制造。夾在微變壓器頂部和底部線圈之間的聚酰亞胺薄膜沉積在晶圓級，并提供良好控制的厚度和高結構質量。i耦合器器件中使用的固化聚酰亞胺薄膜具有超過400V/μm的介電擊穿強度。聚酰亞胺層之間的線圈總厚度為20μm，使器件能夠承受超過8kV的瞬時交流電壓。由于沉積的聚酰亞胺薄膜沒有空隙并且不會遭受電暈放電，因此i耦合器器件還具有良好的老化性能，并且在連續的交流或直流電壓下工作良好。聚酰亞胺還具有非常高的熱穩定性。其失重溫度超過500°C，玻璃化轉變溫度約為260°C。

邏輯信號跨越隔離柵的傳輸是通過在初級側進行適當的編碼和在次級側進行解碼來實現的，以恢復輸入邏輯信號。特別是寬約1ns的短脈沖通過變壓器傳輸，兩個連續的短脈沖指示前沿，單個短脈沖作為下降沿。次級的不可再觸發單穩態產生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，則輸出設置為高電平。另一方面，如果檢測到單個脈沖，則輸出設置為低電平。

為了跨隔離柵傳輸功率，這些微型變壓器進行諧振切換以實現高效的能量傳輸，同時通過低頻PWM反饋信號實現能量調節，該信號控制高頻諧振動作的占空比。用于整流的變壓器開關和肖特基二極管均在片內實現。

圖1顯示了采用16引腳SOIC封裝的四通道隔離器與完全集成隔離式DC/DC轉換器的實現示例。左芯片有高壓CMOS開關，右邊芯片有整流二極管和轉換器控制器。兩個交叉耦合開關與變壓器一起形成振蕩，肖特基二極管用于快速高效的整流。變壓器芯片位于中間。這種實現將變壓器放在單獨的芯片上，但原則上，變壓器可以放在開關或肖特基二極管的相同芯片上。對于頂部變壓器芯片，兩個較大的變壓器是電力變壓器，而小型變壓器用于傳輸反饋PWM信號。底部變壓器芯片可容納四個額外的微變壓器，用于四通道隔離器。左芯片和右芯片還保存四通道隔離器的編解碼電路。

圖 1：采用 iso電源的 i耦合器技術

完全集成的半橋柵極驅動、隔離式模數轉換器（ADC）和隔離式收發器也是HEV隔離所必需的，也可以類似地實現。信號和電源隔離提供功能集成，可顯著降低HEV應用隔離系統的復雜性、尺寸和總成本。

HEV電池監控系統的隔離

加速采用HEV的主要障礙之一是與驅動電動機所需的電池相關的額外成本，重量和安全問題。監測每個電池單元的充電狀態 （SOC） 和健康狀態 （SOH） 非常重要。BMS對于確保電池組的安全操作和最長使用壽命至關重要。

圖 2 顯示了 HEV 中 BMS 的示例實現。AD7280等電池監控器IC監控電池組的SOC，并通過SPI接口與控制器通信。SPI接口通過ADuM5401進行隔離，ADuM5401是一款四通道隔離器，集成500mW隔離式DC/DC轉換器。除電池監控IC外，通常還使用冗余硬件保護系統來確保電池單元電壓在安全工作范圍內。如果發生硬件錯誤，硬件保護系統將能夠通過雙通道隔離器ADuM1201與微控制器通信，并適當地關斷相關系統組件。如果電池監控器IC需要5個以上的隔離通道，則可以使用其他通道數更高的器件，如ADuM130x和ADuM140x。磯電源在這里起著非常重要的作用，因為即使電池電源不可用，我們也需要確保系統保護到位。500mW隔離電源可用于為硬件保護IC和電池側的隔離器供電，如果電池端子沒有內部穩壓器為ADC上電，也可用于為電池監控器IC內的ADC供電。

圖 2：HEV 中 BMS 的隔離實現

如果需要多個電池IC，則可以為每個電池組實現專用隔離，特別是當每個電池組都有自己的模塊時。另一種解決方案是利用AD7280等電池監控器IC中的菊花鏈功能，在多個電池監控器IC之間傳遞SPI命令，而無需使用隔離。只有底部堆棧電池監控器IC需要通過隔離接口與BMS控制器通信。

BMS控制器還需要通過主車輛CAN總線與其他系統控制器通信。 ADuM1201或ADuM5201可用于在BMS控制器和CAN收發器之間提供隔離。ADuM5201的優勢在于可以從BMS控制器為CAN收發器提供隔離電源。

HEV電機驅動的隔離

當然，最重要的元素是電動機，與內燃機相比，使HEV在某些駕駛條件下提高效率。其隔離需求與工業電機驅動器非常相似。但是，有一些獨特的要求。用于驅動HEV中電動機的逆變器需要更緊湊，重量更輕，高效可靠。此外，它們需要能夠在高溫下運行。

在HEV的電機驅動系統中，電路有兩個主要部分需要隔離。一種是橋式逆變器IGBT的柵極驅動，另一種是電機相電流檢測。相電流檢測為控制器提供IGBT器件保護和線性電流反饋信息，以保持閉環電流控制。串聯分流電阻器與逆變器輸出端的高精度ADC一起通常用于檢測相電流。需要隔離電源為電流檢測ADC和柵極驅動電路提供偏置，并且每相都需要單獨的電源。使用i耦合器器件可以大大簡化交流電機驅動器的復雜信號和電源隔離需求。

低功率電機驅動器的實現示例如圖3所示。ADuM5230是一款半橋柵極驅動器，集成200mW高邊15V電源。它為高端IGBT提供隔離式15V柵極驅動輸出，為低側IGBT提供另一個隔離式15V柵極驅動輸出。低側隔離可保護控制器免受來自大IGBT開關的電感開關瞬變的損壞。通過集成DC/DC轉換器產生的15V高端電源為緩沖電路提供電源以驅動大型IGBT，也可以與齊納二極管一起使用，以產生3至5V的低電源，為AD7401等電流檢測ADC供電。

圖 3：使用隔離式半橋柵極驅動器的 HEV 電機驅動實現

AD7401是一款隔離式二階Σ-Δ調制器，可將模擬輸入轉換為高速單位數據流，可直接與控制器接口。它從控制器接收時鐘，同時將時鐘數據流發送回控制器。如果沒有集成ADC，則需要多個光耦合器，而慢速光耦合器通常不適合傳輸這種高速數據流。高端柵極驅動器和電流檢測ADC的接地均以逆變器輸出為參考，逆變器輸出可以非常快速地切換。我具有高共模瞬態抗擾度的耦合器隔離對于保持高端開關和電流檢測的數據完整性非常重要。

圖3中的紅虛線用于顯示隔離柵的位置，藍框中顯示的電路元件可以復制到其他相位的橋式逆變器中。逆變器輸出需要彼此隔離，多個半橋柵極驅動器將實現這一點。每個半橋柵極驅動器將產生自己的柵極驅動信號和高端電源。

為了實現緊湊的設計，HEV中經常使用智能功率模塊。使用智能柵極驅動模塊的HEV電機驅動系統實現如圖4所示。六個柵極驅動信號通常通過邏輯隔離器隔離，它們為柵極驅動模塊提供輸入，為高邊IGBT器件提供進一步的電平轉換或隔離。邏輯隔離有助于控制器和直流母線接地之間的通信，例如將直流母線電壓或電流檢測信息傳遞給控制器。

圖 4：使用隔離式柵極驅動模塊實現 HEV 電機驅動

與ADuM5401類似，ADuM5400是一款四通道隔離器，集成DC/DC轉換器，可提供高達500mW的隔離電源。它為來自控制器的六個柵極驅動信號中的四個提供隔離。ADuM1401是另一個四通道隔離器，為其他兩個柵極驅動信號提供隔離。未使用的兩個隔離通道可用于控制器與非隔離ADC之間的串行通信，例如，可用于HVDC電壓檢測。ADuM5400的500mW隔離電源可用于為基準電壓源的任何邏輯電路上電，例如ADuM1401的輸出側，ADuM1401是用于電壓檢測的ADC。

結論

總之，i耦合器技術為HEV BMS和電動機驅動系統提供了強大的隔離解決方案。它消除了其他隔離解決方案的許多限制。它在單個封裝中提供完整的隔離解決方案，從而顯著減少元件數量和系統成本，簡化系統設計，并減少增量設計時間。它使HEV更高效，更緊湊，更輕，更可靠。

審核編輯：郭婷