混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車中的數(shù)字隔離技術(shù)

混合動(dòng)力和電動(dòng)汽車(HEV/EV)將400V和更高電壓的設(shè)計(jì)導(dǎo)入了汽車和交通領(lǐng)域。在嚴(yán)酷的汽車環(huán)境中，要應(yīng)對如此高的電壓和大的電流，就需要高度可靠且可長期穩(wěn)定工作的方案，以便能有效地將此高壓和其它電子功能電路(當(dāng)然，最重要的是駕駛！)隔離開來。

交通應(yīng)用中的隔離要求

汽車、卡車和摩托車中采用的混合動(dòng)力和電動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)，在交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)引發(fā)了新的、前所未知的挑戰(zhàn)。原來的12V電壓網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在需輔之以400V或更高的電池和電源系統(tǒng)，從而對汽車OEM和系統(tǒng)模塊供貨商提出了一系列全新要求。諸如高壓電池、DC/DC轉(zhuǎn)換器、用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的逆變器，以及連接到230V/380V電網(wǎng)的車載充電器模塊等混合動(dòng)力/電動(dòng)車內(nèi)的全部功能，都提出了隔離要求(圖1)。


圖1：電動(dòng)車典型系統(tǒng)架構(gòu)。

與工業(yè)應(yīng)用相較，汽車和運(yùn)輸應(yīng)用對隔離有著不同要求。堅(jiān)實(shí)可靠當(dāng)然是必須的，而對磁“噪聲”也必須要有強(qiáng)大抵抗力。車內(nèi)的大功率水平(如工作在400V的100KW馬達(dá)，意味著250A的工作電流)會(huì)在車內(nèi)產(chǎn)生必須妥善處理的強(qiáng)磁場。所用零件的使用期限必須足夠長以滿足車輛預(yù)期壽命要求；例如必須滿足大型運(yùn)輸應(yīng)用幾十年的使用要求。用于汽車環(huán)境的產(chǎn)品，將推動(dòng)對汽車應(yīng)用質(zhì)量(Q1)的要求，以及要滿足-40至+125℃的工作溫度范圍。

同時(shí)，這些領(lǐng)域的成本壓力，將推動(dòng)對更高系統(tǒng)整合度的要求，因此，具備隔離功能的單芯片產(chǎn)品，如CAN收發(fā)器、ADC或門極驅(qū)動(dòng)器等組件就展現(xiàn)出了優(yōu)勢。

不同的數(shù)字隔離技術(shù)

原則上，有四種不同的數(shù)字隔離技術(shù)方法：光、電感式，電容式和射頻式。以下將介紹前三種方法。

光隔離技術(shù)使用透明絕緣隔離層進(jìn)行光傳輸來實(shí)現(xiàn)光隔離。透過驅(qū)動(dòng)LED(發(fā)光二極管)，數(shù)字信號從電轉(zhuǎn)換成光。然后通過隔離層傳輸這個(gè)光信號，再用光學(xué)檢測組件(光電二極管、光電晶體管)將光信號轉(zhuǎn)換回電信號。

光隔離的主要優(yōu)點(diǎn)是光對電場或磁場具有免疫力及有可能輸送靜態(tài)信號。在隔離層的接收側(cè)(flipside)，光隔離器的工作頻率(傳輸速度)受限于LED相對較慢的特性。對混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車應(yīng)用來說，光隔離有限的壽命是一個(gè)主要缺點(diǎn)。隨著時(shí)間的推移，LED的效率將降低，從而需要加大信號驅(qū)動(dòng)電流(通常從10mA開始)，所以，隨著時(shí)間的綿延，這種光隔離終將無法發(fā)揮功用。

電感隔離使用兩個(gè)線圈之間的磁場變化實(shí)現(xiàn)跨隔離勢壘(isolation barrier)的通訊。電感隔離法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是共模和差分傳輸間的不同，這意味著它的抗噪能力良好。這種方法的缺點(diǎn)是可能來自磁場的失真，對混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車應(yīng)用的馬達(dá)控制環(huán)境來說，這種失真很常見。

電容隔離利用穿越隔離勢壘的電場變化。電容隔離法的好處是對磁場的免疫力更強(qiáng)和長的系統(tǒng)壽命。電容隔離與電感隔離法的傳輸速度近似。

但電容隔離法的缺點(diǎn)是沒有差分信號(即：信號和噪聲共享同一信道)。另外，與電感隔離法一樣，它們都不能直接傳輸靜態(tài)信號(必須先與頻率信號進(jìn)行編碼)。