Sprostanie wyzwaniu dokładnego pomiaru napięcia w pojazdach elektrycznych za pomocą wzmacniaczy izolacyjnych

Jednak zastosowania motoryzacyjne są szczególnie wymagające. Energoelektronika musi działać niezawodnie przez dziesięciolecia pomimo ekstremalnych temperatur i obecności wysokich napięć wymagających odpowiedniej izolacji. Obwody pomiaru napięcia do tych zastosowań muszą charakteryzować się dużą szerokością pasma, małymi błędami i dryftem oraz wysoką odpornością na impulsowe zakłócenia w trybie wspólnym (CMTI), a jednocześnie spełniać normy motoryzacyjne, takie jak AEC-Q100. Wymagania te są szczególnie istotne dla krytycznych komponentów w pojazdach elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV), takich jak przemienniki, przetwornice prądu stałego i wbudowane ładowarki.

W tych zastosowaniach dobrze sprawdzają się transformatorowe wzmacniacze izolacyjne. Urządzenia te wykorzystują zaawansowane technologie, aby osiągnąć doskonałe parametry działania przez dziesięciolecia narażenia na trudne warunki.

W niniejszym artykule omówiono zasadę działania wzmacniaczy izolacyjnych. Następnie przedstawiono przykład transformatorowy, w którym wykorzystano technologię iCoupler firmy Analog Devices, dokonano przeglądu potencjalnych zastosowań w rozwoju pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV) oraz przedstawiono płytkę ewaluacyjną, która pomaga rozpocząć proces projektowania.

Zasada działania transformatorowych wzmacniaczy izolacyjnych

Wzmacniacze izolacyjne są specjalistycznymi wzmacniaczami różnicowymi zapewniającymi izolację elektryczną pomiędzy obwodami wejściowymi i wyjściowymi. Podczas gdy wspomnianą izolację można osiągnąć na kilka sposobów, to wzmacniacze transformatorowe, takie jak ADuM3195 (ilustracja 1) oferują unikalne zalety w zastosowaniach w pojazdach elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV).

Ilustracja 1: wzmacniacze izolacyjne ADuM3195 wykorzystują izolację transformatorową. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

W konstrukcjach opartych na transformatorach, izolację uzyskuje się poprzez sprzężenie transformatorowe. Podstawowa zasada działania obejmuje następujące etapy:

1. Sygnał wejściowy jest przekształcany na sygnał nośny wysokiej częstotliwości.
2. Ten sygnał nośny jest następnie przesyłany przez barierę izolacyjną za pośrednictwem transformatora.
3. Po stronie wtórnej transformatora, pierwotny sygnał jest rekonstruowany z sygnału nośnego.

Transformator spełnia dwie kluczowe funkcje. Zapewnia izolację galwaniczną pomiędzy obwodami wejściowymi i wyjściowymi, co pozwala na bezpieczny pomiar wysokich napięć i ochronę obwodów wrażliwych. Umożliwia również przesyłanie sygnału bez bezpośredniego połączenia elektrycznego przez barierę izolacyjną.

Izolacja oparta na transformatorach oferuje znaczne korzyści w zastosowaniach pomiaru napięcia. Omawiane wzmacniacze skutecznie eliminują napięcia sygnału wspólnego, kluczowe w środowiskach, gdzie występują zakłócenia elektryczne. Ponadto w nowoczesnych konstrukcjach uzyskuje się duże szerokości pasma odpowiednie dla wielu zastosowań energoelektronicznych.

Zalety parametrów działania mikrotransformatorów planarnych do wzmacniaczy izolacyjnych

Technologia iCoupler opracowana przez firmę Analog Devices stanowi postęp w projektowaniu wzmacniaczy izolacyjnych. Urządzenia iCoupler zawierają mikrotransformatory planarne o typowej średnicy około 0,5mm, co pozwala uzyskać wyjątkowo kompaktowe rozwiązania. Niewielkie rozmiary zapewniają również naturalną odporność na zewnętrzne pola magnetyczne, zwiększając niezawodność.

Kluczowe znaczenie dla parametrów działania urządzeń iCoupler ma poliimidowa warstwa izolacyjna (ilustracja 2). Izolacja ta zapewnia wysoką stabilność termiczną i mechaniczną, dzięki czemu urządzenie jest wyjątkowo trwałe. Wytrzymuje napięcia udarowe przekraczające 10kV i zapewnia długoterminową niezawodność podczas pracy ciągłej przy napięciu 400VRMS.

Ilustracja 2: kluczowe znaczenie dla parametrów działania urządzeń iCoupler ma poliimidowa warstwa izolacyjna, która zapewnia wysoką stabilność termiczną i mechaniczną. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Zasadniczą cecha technologii iCoupler jest jej zdolność do pracy przy wysokich częstotliwościach z przesyłaniem danych z prędkością do 150Mbit/s. Osiąga się to po części dzięki wysokowydajnej metodologii kodowania sygnału. Dane są kodowane w impulsach trwających 1ns, które umożliwiają szybkie przesyłanie danych i niski pobór mocy, zwykle poniżej 1mA na kanał (ilustracja 3).

Ilustracja 3: wysoce wydajna metoda kodowania pozwala urządzeniom iCoupler na przesyłanie danych z prędkością 150Mbit/s przy poborze prądu zwykle mniejszym niż 1mA na kanał. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Dodatkowo, urządzenia iCoupler zawierają wejściowe filtry zakłóceń, które redukują szumy i zapewniają czystą transmisję sygnału, poprawiając parametry działania w środowiskach motoryzacyjnych, gdzie występują zakłócenia elektromagnetyczne.

Kluczowe cechy wzmacniaczy izolacyjnych dopuszczonych do stosowania w motoryzacji

Technologia iCoupler została wdrożona w kilku urządzeniach, na przykłąd we wzmacniaczu izolacyjnym ADuM3195WBRQZ. Ta zgodna z normą AEC-Q100 wersja urządzenia ADuM3195 została zaprojektowana specjalnie do stosowania w motoryzacji. Napięcie izolacji: 3000VRMS, wyjściowe napięcie niezrównoważenia ±6mV (maks.) przy 25°C, błąd wzmocnienia ±0,5% (maks.), szerokość pasma 210kHz, dryft wzmocnienia ±27ppm/°C (maks.) oraz dryft napięcia niezrównoważenia -22μV/°C (typ.). Urządzenie charakteryzuje się odpornością na impulsowe zakłócenia w trybie wspólnym (CMTI) 150kV/µs (typ.), zakresem temperatur roboczych od -40°C do 125°C, posiada konfigurowane ustawienia wzmocnienia i jest dostarczane w 16-odprowadzeniowej obudowie QSOP.

Dzięki tym cechom urządzenie ADuM3195WBRQZ może być wykorzystywane do dokładnych pomiarów napięcia w trybie izolowanym w wymagających zastosowaniach motoryzacyjnych, takich jak:

• Monitorowanie napięcia w systemach zarządzania bateriami (BMS)
• Pętle sprzężenia zwrotnego w zasilaczach
• Systemy przemienników i napędów silnikowych

Wysoka dokładność, szerokie pasmo, niski pobór mocy i odporna izolacja sprawiają, że urządzenie ADuM3195WBRQZ jest szczególnie skutecznym rozwiązaniem do pomiaru napięcia w systemach pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV).

Wymagania dotyczące wzmacniaczy izolacyjnych dla przemienników, przetwornic prądu stałego i ładowarek wbudowanych

Wzmacniacz izolacyjny ADuM3195WBRQZ rozwiązuje krytyczne problemy w systemach zasilania pojazdów elektrycznych i hybrydowych, takich jak przemienniki, przetwornice prądu stałego i ładowarki wbudowane.

Szerokość pasma 210kHz zapewnia czasy odpowiedzi poniżej 5μs, co ma kluczowe znaczenie dla wydajnego ładowania, precyzyjnego sterowania przemiennikiem i minimalizacji tętnień napięcia w przetwornicach prądu stałego. Tak duża szerokość pasma pozwala również na stosowanie mniejszych komponentów pasywnych i umożliwia integrację urządzeń o szerokiej przerwie energetycznej, co zwiększa ogólną sprawność systemu i gęstość mocy.

Wysokoimpedancyjne wejście urządzenia ADuM3195WBRQZ minimalizuje straty mocy związane z pomiarem i stabilizuje pracę przetwornicy i przemiennika. Zmniejszenie poboru prądu zmniejsza również obciążenie obwodów pomocniczych, poprawiając niezawodność systemu.

Dzięki wysokiej tolerancji temperaturowej urządzenie ADuM3195WBRQZ może być umieszczane w pobliżu komponentów generujących ciepło, takich jak silniki elektryczne, ładowarki wbudowane i układy hamowania odzyskowego, co pomaga zapobiegać niekontrolowanemu wzrostowi temperatury, zarządzać cyklami termicznymi i zapobiegać powstawaniu gorących punktów w energoelektronice.

W przypadku przetwornic prądu stałego obsługujących różne napięcia wyjściowe, niski błąd niezrównoważenia i dryft niezrównoważenia urządzenia ADuM3195WBRQZ zapewniają dokładne napięciowe sprzężenie zwrotne przy zmianach temperatury. Dokładność ta przyczynia się do precyzyjnego sterowania, zmniejszenia tętnień i poprawy parametrów działania układu napędowego.

Napięcie izolacji urządzenia ADuM3195WBRQZ wynoszące 3000VRMS chroni niskonapięciową elektronikę i użytkowników przed układami wysokiego napięcia (do 400V). Zapewnia skuteczne tłumienie zakłóceń pomiędzy stopniami mocy i obwodami sterującymi w systemach baterii pojazdów elektrycznych, współpracując jednocześnie z systemami niskiego napięcia (12/48V).

Dzięki spełnieniu wspomnianych krytycznych wymagań urządzenia ADuM3195WBRQZ poprawiają parametry działania, sprawność i bezpieczeństwo systemów zasilania pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV).

Warto zauważyć, że urządzenie ADuM4195 jest dostępne dla systemów o wyższym napięciu, zapewniając napięcia izolacji do 5000VRMS oraz ochronę elektroniki niskonapięciowej do 800V.

Szybkie rozpoczęcie prac rozwojowych z urządzeniem ADuM3195

Kompaktowa płytka ewaluacyjna EVAL-ADuM3195EBZ (ilustracja 4) przeznaczona jest do testowania i ewaluacji charakterystyki działania wzmacniacza izolacyjnego ADuM3195. Jest to izolowana płytka monitorowania napięcia, którą można skonfigurować do pomiarów prądu stałego i zmiennego. Płytka jest wstępnie skonfigurowana do obsługi napięć wejściowych do 1000V= (ciągłych).

Ilustracja 4: płytka ewaluacyjna EVAL-ADuM3195EBZ została zaprojektowana w celu demonstracji możliwości urządzenia ADuM3195. (Źródło ilustracji: Analog Devices, Inc.)

Cechy płytki ewaluacyjnej EVAL-ADuM3195EBZ pomagają w rozpoczęciu prac rozwojowych nad rozwiązaniami w pojazdach elektrycznych i hybrydowych na kilka sposobów:

• Izolacja i pomiar wysokiego napięcia: płytka została zaprojektowana do bezpiecznego pomiaru wysokich napięć prądu stałego dochodzących do 1000V, co jest szczególnie istotne w przypadku systemów bateryjnych w pojazdach elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV). Pozwala to deweloperom na monitorowanie napięć pakietów baterii, pomiar napięć poszczególnych ogniw w systemach zarządzania bateriami (BMS) oraz łączenie z liniami wysokonapięciowych magistrali prądu stałego.
• Konfigurowany zakres wejściowy: dzielnik napięcia wejściowego można modyfikować w celu dostosowania do różnych zakresów napięć typowych dla pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV). Na przykład magistrala o napięciu 400V= jest typowa dla wielu pojazdów elektrycznych, systemów 800V w nowszych architekturach pojazdów elektrycznych i niższych zakresów napięć dla systemów 48V tzw. „miękkich hybryd”.
• Możliwość pomiaru prądu zmiennego: po niewielkich modyfikacjach płytka może mierzyć napięcia prądu zmiennego, co może być pomocne w monitorowaniu wyjścia przemiennika napędu silnikowego, pomiarach systemu ładowania prądem zmiennym oraz analizie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) lub szumów w liniach wysokiego napięcia.
• Opcja niskiej mocy: w celu obniżenia poboru mocy, gdy konieczne jest rozsądne wykorzystanie energii, wejście wyłączenia zasilania (PDIS) może wyłączyć wewnętrzne zasilanie.

Podsumowanie

Projektanci pojazdów elektrycznych i hybrydowych (EV/HEV) wymagają precyzyjnych pomiarów w różnych podsystemach, aby osiągnąć cele w dziedzinie parametrów działania i sprawności. W takich zastosowaniach dobrze sprawdzają się mikrotransformatorowe wzmacniacze izolacyjne, takie jak np. wzmacniacz ADuM3195WBRQZ z kwalifikacją AEC-Q100, który łączy w sobie parametry działania, miniaturyzację i trwałość spełniające krytyczne wymagania projektowe. W szybkim rozpoczęciu pracy z omawianym wzmacniaczem izolacyjnym projektantom pomoże płytka ewaluacyjna.

Źródło: Sprostanie wyzwaniu dokładnego pomiaru napięcia w pojazdach elektrycznych za pomocą wzmacniaczy izolacyjnych

Kontakt w Polsce: poland.support@digikey.pl

Autor: Rolf Horn

Rolf Horn, Applications Engineer at DigiKey, has been in the European Technical Support group since 2014 with primary responsibility for answering any Development and Engineering related questions from final customers in EMEA, as well as writing and proof-reading German articles and blogs on DK’s TechForum and maker.io platforms. Prior to DigiKey, he worked at several manufacturers in the semiconductor area with focus on embedded FPGA, Microcontroller and Processor systems for Industrial and Automotive Applications. Rolf holds a degree in electrical and electronics engineering from the university of applied sciences in Munich, Bavaria and started his professional career at a local Electronics Products Distributor as System-Solutions Architect to share his steadily growing knowledge and expertise as Trusted Advisor.

Hobbies: spending time with family + friends, travelling in our VW-California transporter and motorbiking on a 1988 BMW GS 100.

Zapraszamy na TEK.day Wrocław, 6 marca 2025. Zapisz się tutaj!