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。