【導讀】電動汽車內部存在電池管理、空調和牽引逆變器等各種子系統(tǒng)，工作條件不一，對功率器件及其驅動要求不盡相同。同時，充電樁有交/直流之分，充電功率/速度也不相同。這些不同的子系統(tǒng)和電源系統(tǒng)都會廣泛使用光耦器，來進行隔離通信、驅動以及反饋。光耦在傳統(tǒng)的工業(yè)應用中已非常成熟，那么在電動汽車/充電樁這些新興應用當中，又有怎樣的發(fā)展趨勢和新的性能需求呢？
日前，在由Aspencore旗下《EDN電子技術設計》、《EET電子工程專輯》和《ESM國際電子商情》共同舉辦的Tech Shanghai汽車電子設計論壇上，博通公司（Broadcom）隔離產(chǎn)品事業(yè)部（前Avago光耦事業(yè)部）產(chǎn)品經(jīng)理陳紅雷帶來“功能全面的光耦驅動并保護下一代功率器件”議題，從電動汽車和充電樁兩個部分探討了光耦在電動汽車市場的新應用機會。（另外在該論壇上，金雅拓高級產(chǎn)品經(jīng)理朱志興和康模數(shù)爾（COMSOL）應用工程師施翀也分別帶來了“軟件安全授權在汽車電子行業(yè)中的應用”和“動力電池研發(fā)中的多物理場仿真解決方案”的議題。）
光耦原理及分類
陳紅雷介紹說，光耦器件分為三大類：數(shù)字光耦、柵極驅動器和隔離放大器。這三類光耦的基本功能都是提供信號隔離。數(shù)字光耦單純實現(xiàn)信號隔離。柵極驅動器在此基礎上增加了電流驅動能力，從而可對IGBT和MOSFET（包括最新的SiC和GaN）等功率器件的柵極進行驅動。隔離放大器用于反饋通路，將檢測到的電壓、電流等信號返回給MCU進行處理。
光耦由LED、隔離介質和光敏二極管三部分組成，構成發(fā)光、傳輸和感光三個環(huán)節(jié)。光耦原理簡單，但按照爬電距離、電氣間隙和隔離電壓等安規(guī)條件劃分卻是分門別類。
光耦的應用非常廣泛，尤其是在電力電子領域。電動汽車和充電樁等新興產(chǎn)業(yè)，為光耦也帶來不小的機會。
陳紅雷在會后向筆者透露，汽車電子中一個趨勢是把電子部分和輪轂集成在一起，通過CAN總線或電力線實現(xiàn)直接驅動，這樣可以避免物理傳動的損耗。這種構件通常很復雜且高成本。這樣，半導體器件需要耐高溫、耐振動。對于光耦這種硅基半導體材料，還是有很大挑戰(zhàn)。博通一類（Grade 1）光耦目前也只是達到125℃，因此對于高轉動（也就高溫）電機的驅動，需要采用冷卻。
博通也在考慮未來是否可能將耐高溫材料，比如GaN、SiC等，應用到柵極驅動、電流檢測等光耦器件中。另外，發(fā)光二極管本身也需要有技術突破，能夠耐高溫。比如對于光衰特性，其光耦器件都經(jīng)過了嚴格的挑選，設計也考慮了足夠的裕量。然而，整個系統(tǒng)溫度進一步的上升，對光耦中的LED還是會有新的挑戰(zhàn)。博通也在努力解決中。
電動汽車IGBT需要怎樣的光耦？
如下圖所示，在電動汽車中，牽引逆變器、CAN總線接口、信號傳感、暖通空調（HVAC）和電源管理系統(tǒng)等等部分都會廣泛用到光耦器。（右邊可以找到相應料號，這些都是Broadcom多年來，根據(jù)客戶需求所列出。）
陳紅雷表示，電動汽車中電池管理、空調系統(tǒng)、牽引逆變器等不同子系統(tǒng)的要求不一樣，比如空調的工作溫度不太高；而牽引逆變器由于在發(fā)動機里，耐受溫度需要比較高；電池管理在后端，溫度也不會太高。因此，像DC/DC充電器一般采用MOSFET作為功率器件，也就采用MOSFET驅動。另外其工作溫度也不一樣，功率容量/驅動電流通常也不太大。而牽引逆變器要求功率大，要有保護和反饋等功能，因此驅動就不同。另外，電池管理總線上做電流監(jiān)控即可，而牽引逆變器就會復雜一些。
下圖是針對車載充電器、DC-DC轉換器和逆變器的柵極驅動器型號選擇。“ACPL-32JT是市場接受度比較高的一款產(chǎn)品。另外還有ACPL-33JT。ACPL-3540JT是帶發(fā)射極電流檢測的產(chǎn)品。” 陳紅雷介紹。
下圖是采用ACPL-32JT的IGBT模塊，其中集成了6個通路的IGBT。這個開發(fā)板非常小巧。
ACFJ-3540T是應對汽車當中IGBT等功率器件演變而開發(fā)的新器件。某些新IGBT器件在發(fā)射極設置了電流分支——與射極電流成比例，用于IGBT電流檢測。針對這種新的器件，Broadcom開發(fā)了ACFJ-3540T柵極驅動器，能夠驅動IGBT柵極并有效監(jiān)測電流情況。
隔離放大器用于檢測信號并進行反饋。Broadcom最新器件是ACPL-C799T和ACPL-C797T這兩款產(chǎn)品，能夠適用于大電流驅動的市場需求。目前市場上也是出現(xiàn)精密電阻的需求，需要做阻值小、功率高的設計。而ACPL-C799T可以做成很小的模塊式產(chǎn)品，能夠直接連接在精密電阻的銅排上；對電流進行采樣，并連接到數(shù)字濾波器。
數(shù)字光耦相對比較簡單，應用廣泛；將數(shù)字信號從原邊傳到副邊。下圖是其選擇，按照輸入來劃分，有100kBd、100kBd-1MBd和1MBd-15MBd。另外是從工作電壓來劃分；汽車應用相對工業(yè)應用來說工作電壓較低。
交/直流充電樁利弊對比及驅動要求
在充電樁部分，從產(chǎn)業(yè)鏈角度看，即是要把工廠生產(chǎn)的電能傳輸?shù)接脩羝囍袃Υ娌⑹褂?。充電樁可簡單劃分為交流充電和直流充電兩種。交流充電是通過車載充電器，將交流變?yōu)橹绷?，來給汽車充電。這種充電方式有車載充電器體積限制和充電功率有限（充電時間長）這兩個缺點。直流充電則是直接用直流對電池充電，它通常以固定形式出現(xiàn)，因此允許大功率的快速充電。
“充電樁有交流直流之分，對應汽車則有交流充和直流充之分，各有利弊。交流充電利用車載AC/DC轉換器將交流轉換成直流，給電池充電。直流充電則一般是大功率充電，在車體外有固定的充電器，功率較大、充電效率較高、充電較快。超級充電站則不外乎是更大的功率，可縮短充電時間。電動汽車發(fā)展一來是要延伸續(xù)航里程，二來是要優(yōu)化充電站距離。
“另外，不管是交流充電還是直流充電，電池所能接收的都是直流電。交流充電需要汽車具有車載充電器，一來體積/功率容量受限制（充電時間長），二來必須滿足車規(guī)要求。而直流充電功率就可以非常大（轉換在外部），充電時間可以大大縮短。但是，其缺點是充電器不能隨車一起跑，只能到有充電樁的地方去充電，而不能隨時插到電網(wǎng)上去充電。”陳紅雷指出。
對于直流充電，業(yè)界已經(jīng)有一級和二級方案，同時也在研究三級方案，將汽車電池在5-10分鐘內充到80%電量甚至充滿。這樣就能使電動汽車能夠有足夠的里程覆蓋率，而進一步推廣。
據(jù)HIS研究機構估計，到2020年，電動汽車充電站將會有超過1200萬座。
直流快速充電站包括交流輸入、功率因數(shù)校正（FPC）電感、DC/DC轉換（包括電池對接）等環(huán)節(jié)。電能轉換和傳輸過程當中，需要對晶體管的柵極進行電流檢測和電壓檢測并進行信號通信等等。這些就是光耦的潛在應用。下圖右邊是光耦選型詳細列表。
ACPL-352J是面向電動汽車充電站的較新光耦，適用于IGBT/MOSFET等電壓驅動型器件（電流性負載——需要對柵極進行電流充電，到一定電壓時才會導通）。
除了驅動IGBT柵極外，ACPL-352J還能實現(xiàn)IGBT柵極檢測，因此可對汽車功能安全提供有效信息。
對于SiC MOSFET/GaN器件，它們的驅動特性不同，比如工作電壓、開關速度等等不一樣。同時，對于這些新的功率器件，Broadcom也開發(fā)出了針對性的參考設計。
這些年來，Broadcom/Avago的光耦器件也在持續(xù)不斷的演進當中（包括驅動電流、驅動速度和信號延遲等方面都在不斷改進，以及功能安全等新功能的增加）。
ASSR-601J可用于汽車電池或充電樁的漏電檢測，相當于固態(tài)繼電器的特性，但可以耐高壓，因此相對于傳統(tǒng)繼電器可以提供更高的可靠性。
對于上述各種光耦，Broadcom都提供了相應的開發(fā)板。
另外，陳紅雷告訴筆者，GaN、SiC等新功率器件的優(yōu)點是，可容許更高的開關頻率，結溫耐受高。因此對應于光耦器件的要求，即工作頻率要快，驅動電流要大。另外，它們之間的工作電壓和保護特性（如欠壓鎖定、退飽和）等也不一樣。因此需要選擇不同的光耦器件來驅動。
光耦中的挑戰(zhàn)，一是高集成度（通道數(shù)；受絕緣要求限制），二是LED上的突破（開發(fā)活化層在下、向下發(fā)光的LED，從而減小體積）。
最后，他強調，相對微型變壓器或電容來說，光耦雖然隨壽命有光衰，但在做設計時都留有了裕量（有幾十年使用壽命），這個問題完全不用擔心。
本文轉載自電子技術設計。
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