數(shù)字光電耦合器為汽車應(yīng)用 提供低功耗和高隔離

圖 3. EV/HEV 中的電氣系統(tǒng)

IPM 驅(qū)動逆變器

電動車內(nèi)的逆變器能轉(zhuǎn)換 DC 電池電壓，以使電池能驅(qū)動 AC 異步電機(jī)或 DC 無刷電機(jī)。IGBT(絕緣門雙極晶體管)是常見的功率轉(zhuǎn)換設(shè)備，而 IPM(智能集成功率模塊)[4] 混合動力模塊則在一個(gè)緊湊的封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)同時(shí)對IGBT 和門驅(qū)動電路提供功率。大多數(shù) IPM，像 Fuji Electric(富士電機(jī))的 Econo 7MBP150TEA060，還融合了過溫檢測、過流檢測和反饋故障報(bào)警到微控制器的欠壓保護(hù)功能。圖 4 所示是一個(gè)典型的逆變器系統(tǒng)。

圖 4. 光電耦合器在變頻器的 MCU 和 IPM 之間提供隔離(示有 IPM 與 MCU 之間的 U 相明細(xì)，V 相 和 W 相的連接端則不顯示)。

在這一系統(tǒng)圖解中，隔離電路處于 MCU 和 IPM 之間。六個(gè) ACPL- K43T 數(shù)字光電耦合器能隔離 IPM 的六個(gè)門驅(qū)動器輸入端(上下三個(gè) IGBT 用于三個(gè)電源相位)。為了減少該圖的復(fù)雜性，僅對 U 相顯示光電耦合器;V 相和W 相則需要更多的光電耦合器。四個(gè) ACPL-K49T [5] 光電耦合器隔離 IPM 合成的故障反饋信號(三個(gè)用于各上相，一個(gè)用于下相)。

電源分布如圖 4 右側(cè)部分所示。 光電耦合器的 5V 電源是直接由 12V 電池通過穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換而成的;Vcc_15V 電源則由一個(gè)隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，為所有低通道電路供電;三個(gè)附加的隔離式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器能輸出 15V VccU/VccV/VccW，且彼此均處于浮載狀態(tài)并單獨(dú)為上通道電路供電。

CAN 總線隔離

車內(nèi) CAN 總線網(wǎng)絡(luò)連接著主機(jī)控制 ECU 和局域子系統(tǒng)，例如溫控器、電池管理系統(tǒng) (BMS)、牽引逆變器、油/液壓泵和其他子系統(tǒng)。

圖 5 所示的光電耦合器在系統(tǒng)中可能出現(xiàn)高壓的局域設(shè)備和低壓 CAN 總線之間提供電氣隔離邊界。這將確保穩(wěn)定運(yùn)行、消除電氣噪聲和防止子系統(tǒng)之間的干擾。

圖 5. 光電耦合器在局域設(shè)備 MCU (微控制器)與 CAN 總線收發(fā)器之間提供隔離

一個(gè) CAN 收發(fā)器子系統(tǒng)的示例顯示了接口連接端如何配置為 NXPTJA1041 CAN 控制器的原理(圖 5)。兩個(gè)ACPL-K72T 光電耦合器能發(fā)送和接收 MCU 和 TJA1041 之間的數(shù)據(jù)。由于 -40°C 至 125°C 工作溫度范圍內(nèi)的最大傳播延遲時(shí)間達(dá) 100ns，因此 ACPL-K72T 具有廣泛的性能范圍，包括汽車應(yīng)用中所有的 125kbps、250kbps 和500kbps 3 級高速 CAN 數(shù)據(jù)傳輸速率[6]。三個(gè)低速 ACPL-K49T 光電耦合器分別為 STB、EN 和 ERR 的收發(fā)器引腳傳輸指令、狀態(tài)或反饋信號。低壓電池通過一個(gè)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)化成 5V 電源對收發(fā)器供電，而一個(gè)隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器則對 MCU 提供 5V 電源。

SPI 隔離

串行外設(shè)接口總線 (SPI) 通常適用于處理器及其外圍芯片之間，如汽車電池組電芯的電壓監(jiān)測系統(tǒng)。汽車的高壓電池由多層電芯堆疊而成，而電芯數(shù)量多達(dá)一百多片。為了平衡充電期間的電池組電芯的電壓或監(jiān)控電池組驅(qū)動電機(jī)輸電時(shí)的電芯能量，每個(gè)電芯的電壓需要逐個(gè)測量，待模擬電壓采集后，測量模塊內(nèi)的 ADC 會將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并通過 SPI 總線傳輸給作為主設(shè)備的 BMS MCU。

圖 6. 光電耦合器隔離 SPI 總線信號

如圖 6 所示，典型的 4 線 SPI 接口包括時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入/輸出和芯片選擇通道。三個(gè)高速 ACPL-K72T 光電耦合器接口數(shù)據(jù)輸入/輸出信號和時(shí)鐘頻率高達(dá) 2MHz，一個(gè)低速 ACPL-K49T 將芯片選擇狀態(tài)從主/MCU 傳輸?shù)綇脑O(shè)備/ADC。一個(gè)隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器對被控實(shí)線電路提供 5V 電源。 隔離邊界為低電壓電路至高電壓電池組提供絕緣，并能防止因電池電壓波動而引起的噪音干擾。