日前,在由Aspencore旗下《EDN电子技术设计》、《EET电子工程专辑》和《ESM国际电子商情》共同举办的Tech Shanghai汽车电子设计论坛上,博通公司(Broadcom)隔离产品事业部(前Avago光耦事业部)产品经理陈红雷带来“功能全面的光耦驱动并保护下一代功率器件”议题,从电动汽车和充电桩两个部分探讨了光耦在电动汽车市场的新应用机会。(另外在该论坛上,金雅拓高级产品经理朱志兴和康模数尔(COMSOL)应用工程师施翀也分别带来了“软件安全授权在汽车电子行业中的应用”和“动力电池研发中的多物理场仿真解决方案”的议题。)

光耦原理及分类

陈红雷介绍说,光耦器件分为三大类:数字光耦、栅极驱动器和隔离放大器。这三类光耦的基本功能都是提供信号隔离。数字光耦单纯实现信号隔离。栅极驱动器在此基础上增加了电流驱动能力,从而可对IGBT和MOSFET(包括最新的SiC和GaN)等功率器件的栅极进行驱动。隔离放大器用于反馈通路,将检测到的电压、电流等信号返回给MCU进行处理。

光耦由LED、隔离介质和光敏二极管三部分组成,构成发光、传输和感光三个环节。光耦原理简单,但按照爬电距离、电气间隙和隔离电压等安规条件划分却是分门别类。

光耦的应用非常广泛,尤其是在电力电子领域。电动汽车和充电桩等新兴产业,为光耦也带来不小的机会。

陈红雷在会后向笔者透露,汽车电子中一个趋势是把电子部分和轮毂集成在一起,通过CAN总线或电力线实现直接驱动,这样可以避免物理传动的损耗。这种构件通常很复杂且高成本。这样,半导体器件需要耐高温、耐振动。对于光耦这种硅基半导体材料,还是有很大挑战。博通一类(Grade 1)光耦目前也只是达到125℃,因此对于高转动(也就高温)电机的驱动,需要采用冷却。

博通也在考虑未来是否可能将耐高温材料,比如GaN、SiC等,应用到栅极驱动、电流检测等光耦器件中。另外,发光二极管本身也需要有技术突破,能够耐高温。比如对于光衰特性,其光耦器件都经过了严格的挑选,设计也考虑了足够的裕量。然而,整个系统温度进一步的上升,对光耦中的LED还是会有新的挑战。博通也在努力解决中。

电动汽车IGBT需要怎样的光耦?

如下图所示,在电动汽车中,牵引逆变器、CAN总线接口、信号传感、暖通空调(HVAC)和电源管理系统等等部分都会广泛用到光耦器。(右边可以找到相应料号,这些都是Broadcom多年来,根据客户需求所列出。)

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陈红雷表示,电动汽车中电池管理、空调系统、牵引逆变器等不同子系统的要求不一样,比如空调的工作温度不太高;而牵引逆变器由于在发动机里,耐受温度需要比较高;电池管理在后端,温度也不会太高。因此,像DC/DC充电器一般采用MOSFET作为功率器件,也就采用MOSFET驱动。另外其工作温度也不一样,功率容量/驱动电流通常也不太大。而牵引逆变器要求功率大,要有保护和反馈等功能,因此驱动就不同。另外,电池管理总线上做电流监控即可,而牵引逆变器就会复杂一些。

下图是针对车载充电器、DC-DC转换器和逆变器的栅极驱动器型号选择。“ACPL-32JT是市场接受度比较高的一款产品。另外还有ACPL-33JT。ACPL-3540JT是带发射极电流检测的产品。” 陈红雷介绍。

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下图是采用ACPL-32JT的IGBT模块,其中集成了6个通路的IGBT。这个开发板非常小巧。

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ACFJ-3540T是应对汽车当中IGBT等功率器件演变而开发的新器件。某些新IGBT器件在发射极设置了电流分支——与射极电流成比例,用于IGBT电流检测。针对这种新的器件,Broadcom开发了ACFJ-3540T栅极驱动器,能够驱动IGBT栅极并有效监测电流情况。

隔离放大器用于检测信号并进行反馈。Broadcom最新器件是ACPL-C799T和ACPL-C797T这两款产品,能够适用于大电流驱动的市场需求。目前市场上也是出现精密电阻的需求,需要做阻值小、功率高的设计。而ACPL-C799T可以做成很小的模块式产品,能够直接连接在精密电阻的铜排上;对电流进行采样,并连接到数字滤波器。

数字光耦相对比较简单,应用广泛;将数字信号从原边传到副边。下图是其选择,按照输入来划分,有100kBd、100kBd-1MBd和1MBd-15MBd。另外是从工作电压来划分;汽车应用相对工业应用来说工作电压较低。

交/直流充电桩利弊对比及驱动要求

在充电桩部分,从产业链角度看,即是要把工厂生产的电能传输到用户汽车中储存并使用。充电桩可简单划分为交流充电和直流充电两种。交流充电是通过车载充电器,将交流变为直流,来给汽车充电。这种充电方式有车载充电器体积限制和充电功率有限(充电时间长)这两个缺点。直流充电则是直接用直流对电池充电,它通常以固定形式出现,因此允许大功率的快速充电。

“充电桩有交流直流之分,对应汽车则有交流充和直流充之分,各有利弊。交流充电利用车载AC/DC转换器将交流转换成直流,给电池充电。直流充电则一般是大功率充电,在车体外有固定的充电器,功率较大、充电效率较高、充电较快。超级充电站则不外乎是更大的功率,可缩短充电时间。电动汽车发展一来是要延伸续航里程,二来是要优化充电站距离。

“另外,不管是交流充电还是直流充电,电池所能接收的都是直流电。交流充电需要汽车具有车载充电器,一来体积/功率容量受限制(充电时间长),二来必须满足车规要求。而直流充电功率就可以非常大(转换在外部),充电时间可以大大缩短。但是,其缺点是充电器不能随车一起跑,只能到有充电桩的地方去充电,而不能随时插到电网上去充电。”陈红雷指出。

对于直流充电,业界已经有一级和二级方案,同时也在研究三级方案,将汽车电池在5-10分钟内充到80%电量甚至充满。这样就能使电动汽车能够有足够的里程覆盖率,而进一步推广。

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据HIS研究机构估计,到2020年,电动汽车充电站将会有超过1200万座。

直流快速充电站包括交流输入、功率因数校正(FPC)电感、DC/DC转换(包括电池对接)等环节。电能转换和传输过程当中,需要对晶体管的栅极进行电流检测和电压检测并进行信号通信等等。这些就是光耦的潜在应用。下图右边是光耦选型详细列表。

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ACPL-352J是面向电动汽车充电站的较新光耦,适用于IGBT/MOSFET等电压驱动型器件(电流性负载——需要对栅极进行电流充电,到一定电压时才会导通)。

除了驱动IGBT栅极外,ACPL-352J还能实现IGBT栅极检测,因此可对汽车功能安全提供有效信息。

对于SiC MOSFET/GaN器件,它们的驱动特性不同,比如工作电压、开关速度等等不一样。同时,对于这些新的功率器件,Broadcom也开发出了针对性的参考设计。

这些年来,Broadcom/Avago的光耦器件也在持续不断的演进当中(包括驱动电流、驱动速度和信号延迟等方面都在不断改进,以及功能安全等新功能的增加)。

ASSR-601J可用于汽车电池或充电桩的漏电检测,相当于固态继电器的特性,但可以耐高压,因此相对于传统继电器可以提供更高的可靠性。

对于上述各种光耦,Broadcom都提供了相应的开发板。

另外,陈红雷告诉笔者,GaN、SiC等新功率器件的优点是,可容许更高的开关频率,结温耐受高。因此对应于光耦器件的要求,即工作频率要快,驱动电流要大。另外,它们之间的工作电压和保护特性(如欠压锁定、退饱和)等也不一样。因此需要选择不同的光耦器件来驱动。

光耦中的挑战,一是高集成度(通道数;受绝缘要求限制),二是LED上的突破(开发活化层在下、向下发光的LED,从而减小体积)。

最后,他强调,相对微型变压器或电容来说,光耦虽然随寿命有光衰,但在做设计时都留有了裕量(有几十年使用寿命),这个问题完全不用担心。

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