近年來，隨著消費者尋找替代燃料汽車以節約能源并減少CO 2 排放，混合動力汽車越來越受歡迎。電動機比使用汽油的傳統內燃機更節能，并且它們可以顯著減少排放。雖然電池是混合動力汽車的核心，但由于可靠性，安全性，重量和成本，它們也是采用混合動力汽車的許多障礙的根源。為了克服這些障礙，采用電池監測系統來維持電池的壽命和安全操作。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）存在一些主要挑戰，因為在許多HEV中電池組電壓可高達400V。需要這種高電壓來為電動機提供足夠的電力，但是它產生了將電池狀態（SOC）電流和電壓信號從電池單元傳輸到微控制器的問題，該微控制器處理來自所有電池的信息以維持安全操作。電池組。為了克服這一障礙，BMS采用電流隔離技術將數據從高壓電池傳輸到車輛其他地方的低壓電子設備。傳統的隔離解決方案（如光耦合器）并不適用于HEV，因為它們會隨著時間的推移而降級，尤其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電池監控IC和BMS微控制器之間通常使用的高速串行外設接口（SPI）。

另一個主要挑戰是除了實現電源隔離外HEV BMS中的信號隔離。硬件保護系統需要到位以在電池側提供隔離電源，以便隔離器可以將諸如過電壓信息的安全信息傳遞給微控制器，以在硬件故障時適當地關閉系統。安全信息需要不間斷，即使存在硬件錯誤，沒有電池電源可供電池監控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。磁耦合允許信號在隔離柵上傳輸， i 耦合器器件與光耦合器相比功耗更低。多通道和數字接口的集成使它們非常易于使用，并且可以顯著減少元件數量和電路板空間?；诖篷詈系钠骷阅軟]有磨損機制，并且隨時間和溫度的變化很小。

i 耦合器技術與 iso 電源

i 耦合器器件中使用的微型變壓器是在CMOS基板上構建的堆疊繞組，它們使用標準半導體處理制造。夾在微變壓器的頂部和底部線圈之間的聚酰亞胺膜在晶片級沉積，并提供良好控制的厚度和高結構質量。用于 i 耦合器裝置的固化聚酰亞胺膜具有超過400V /μm的介電擊穿強度。線圈之間的總厚度為20μm，聚酰亞胺層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沒有電暈放電， i 耦合器裝置也表現出良好的老化性能并且在連續的AC或DC電壓下工作良好。聚酰亞胺還具有非常高的熱穩定性。它的重量損失溫度超過500°C，其玻璃化轉變溫度約為260°C。

邏輯信號在隔離柵上的傳輸是通過初級側的適當編碼和次級側的解碼實現的。一邊恢復輸入邏輯信號。具體地說，大約1ns寬的短脈沖通過變壓器傳輸，具有兩個連續的短脈沖以指示前沿，并且單個短脈沖作為下降沿。次級處的不可再觸發的單穩態產生檢測脈沖。如果檢測到兩個脈沖，則輸出設置為HIGH。另一方面，如果檢測到單個脈沖，則輸出設置為LOW。

為了在隔離柵上傳輸功率，這些微變壓器被諧振切換以實現有效的能量傳輸，而能量調節通過低頻PWM反饋信號實現，該信號控制高頻諧振動作的占空比。仍然開著。用于整流的變壓器開關和肖特基二極管均采用片內實現。

示出了采用16引腳SOIC封裝的完全集成隔離式DC / DC轉換器的四通道隔離器的示例實現如圖1所示。左側芯片具有高壓CMOS開關，右側芯片具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有效的整流。變壓器芯片位于中間。這種實現方式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，而小變壓器用于傳輸反饋PWM信號。底部變壓器芯片為四通道隔離器提供四個額外的微變壓器。左側芯片和右側芯片還支持四通道隔離器的編碼和解碼電路。

完全集成的半橋柵極驅動器，隔離式模擬/數字轉換器（ADC）和隔離式收發器HEV中的隔離也需要類似的實現。信號和電源隔離提供功能集成，可顯著降低HEV應用的隔離系統的復雜性，尺寸和總成本。

HEV電池監測系統的隔離

更快采用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）是非常重要的。 BMS對于確保電池組的安全運行和最長壽命至關重要。

圖2顯示了HEV中BMS的示例實現。 AD7280等電池監視器IC監視電池組的SOC，并通過SPI接口與控制器通信。 SPI接口通過ADuM5401隔離，ADuM5401是一個四通道隔離器，帶有集成的500mW隔離式DC / DC轉換器。除電池監視器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操作范圍內。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與微控制器進行通信，并相應地關閉相關的系統組件。如果電池監視器IC需要五個以上的隔離通道，則可以使用其他更高通道數的器件，如ADuM130x和ADuM140x。 Iso 電源在這里起著非常重要的作用，因為我們需要確保系統保護到位，即使電池電量不足也是如此。 500mW隔離電源可用于為電池側的硬件保護IC，隔離器以及電池監控器IC內部的ADC提供電源，如果電池端子沒有內部穩壓器為ADC供電。

如果需要多個電池IC，可以實現每個電池組的專用隔離，尤其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等電池監視器IC中的菊花鏈功能，將SPI命令傳遞到多個電池監視器IC，而無需使用隔離。只有底部電池組電池監控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具有為BMS控制器的CAN收發器提供隔離電源的優勢。

HEV電機驅動的隔離

當然，最重要的元素是使HEV改善的電動機與內燃機相比，在某些駕駛條件下的效率。它的隔離需求與工業電機驅動器的隔離需求非常相似。但是，有一些獨特的要求。用于驅動HEV中的電動機的逆變器需要更緊湊，重量更輕，高效且可靠。此外，它們需要能夠在高溫下運行。

在用于HEV的電機驅動系統中，電路的兩個主要部分需要隔離。一個是橋式逆變器IGBT的柵極驅動，另一個是電機相電流檢測。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，以維持閉環電流控制。串聯分流電阻與逆變器輸出端的高精度ADC一起用于檢測相電流。需要隔離電源來為電流檢測ADC和柵極驅動電路提供偏置，并且每相需要分離的電源。使用 i 耦合器設備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。

低功耗電機驅動器的示例實現如圖3所示.ADuM5230是一款半橋柵極驅動器，集成了200mW高端15V電源。它為高端IGBT提供隔離的15V柵極驅動輸出，為低端IGBT提供另一個隔離的15V柵極驅動輸出。低側隔離可保護控制器免受來自大型IGBT開關的感應開關瞬變的損壞。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，并且還可以與齊納二極管一起使用以產生3至5V的低電源以為電流供電傳感ADC，如AD7401。

AD7401是一款隔離式二階Σ-Δ調制器，可將模擬輸入轉換為可與控制器直接連接的高速單位數據流。它從控制器接收時鐘，同時將時鐘控制的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，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均以反相器輸出為參考，可以非常快速地切換。 i 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中的紅色虛線用于顯示隔離柵的位置，藍色框中顯示的電路元件可以復制用于其他相的橋式逆變器。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都會產生自己的柵極驅動信號和高端電源。

為實現緊湊型設計，智能功率模塊通常用于HEV。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，為高端提供進一步的電平轉換或隔離IGBT器件。邏輯隔離有助于控制器和直流鏈路接地之間的通信，例如將直流鏈路電壓或電流檢測信息傳遞給控制器。

與ADuM5401類似，ADuM5400是一個四通道隔離器集成的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，可為其他兩個柵極驅動信號提供隔離。例如，未使用的兩個隔離通道可用于控制器和非隔離ADC之間的串行通信，該非隔離ADC可用于HVDC電壓感測。 ADuM5400的500mW隔離電源可用于為低端接地的任何邏輯電路供電，例如ADuM1401的輸出側，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，可顯著減少組件數量和系統成本，簡化系統設計，并縮短增量設計時間。它使HEV更高效，更緊湊，更輕便，更可靠。