CMOS隔离技术的集成简化了电动汽车中辅助电源模块的设计，提供安全可靠的运行寿命

对于熟悉传统发动机的人来说，探究纯电动汽车（EV）引擎盖下的“秘密”是一种神秘的体验。 当然，电动汽车的主要区别是缺少内燃机（ICE），取而代之的是电动牵引逆变器，该电动牵引逆变器通常具有相同的尺寸，并且其安装方式类似于传统的发动机。 其他系统看起来不那么熟悉，但很有可能他们能够认出一个变化不大的组件：12V电池。

在非EV车辆中，需要12 V系统为启动马达供电，该启动马达提供内燃机的初始转动来启动四冲程燃烧循环。鉴于EV不需要启动马达，因此12 V电池可能令人惊讶。但是，大多数电动汽车的电气系统仍以12 V电压运行。在没有内燃机或交流发电机的情况下，该12 V系统必须完全由高压动力电池供电。

这就提出了一个有趣的设计要求。牵引逆变器系统很可能在800 V左右的直流电压下运行。这么高的直流电压会转换为交流来驱动牵引电机。但是，电动汽车中的动力电池不只是串联连接的多个12 V电池来产生800 V电压；它是一个密封单元。这一高压系统的加入及其在车辆中的作用，意味着12v系统现在通常被称为辅助系统。它为牵引系统(包括牵引控制系统)的所有辅助设备提供动力。

主高压电池现在负责向12v辅助系统提供电力，以保持电池充电。 但是出于安全原因，必须保持两个电压域之间的电气隔离。

图1：电动汽车的关键组件（来源：Energy.Gov）

隔离至关重要

图1是典型的EV组件图，有许多功能，包括牵引逆变器，气候控制和加热，以及车载充电器。这些系统在完全不同的电压下运行，必须进行电气隔离。电气隔离可防止电流在不同电压域之间流动，同时仍支持数据和功率交换。

历史上，数据传输的电流隔离使用的是光学技术，使用LED光源和光电二极管接收器。然而，通用汽车市场的需求，特别是电动汽车的需求，刺激了数字隔离技术的开发和使用。

辅助电源

辅助电源系统通常由专用模块控制，该模块称为辅助电源模块（APM）。这实际上是一个DC-DC转换器，它将动力电池和转换器的高压（HV）转换为低压（LV）。该低压总线为辅助系统供电并为12 V电池充电。最初这可能是一个相对简单的功能，但是对电气隔离的要求却带来了额外的复杂性。

许多DC-DC转换器拓扑都使用变压器提供降压和电气隔离。尽管这是隔离HV和LV电路的有效方法，但它确实需要额外的转换步骤才能利用变压器。具体来说，需要将高压电压从直流转换为交流，然后将低压从交流转换为直流。图2的电路图显示了常见的全桥实现。

图2：APM的电路图（来源：SILICON LABS）

全桥将直流电压转换为交流电压，用于激励绝缘变压器的初级，并在次级感应出电流，然后将次级交流电压转换成直流。为了使用较小的磁性元件并减小最终的尺寸和重量，许多系统使用100 kHz或更高的开关频率。

图2示例在变压器的初级（HV）使用一个全桥整流器，在次级（LV）使用一个全桥同步整流器。高压侧开关的选择将基于成本与效率。通常会使用IGBT，但是较新的APM可能会使用SiC MOSFET来实现最大效率。

无论采用哪种开关技术，隔离式栅极驱动器都起着至关重要的作用。数字隔离的栅极驱动器利用CMOS技术来制造器件和隔离栅。图3显示了Silicon Labs Si8239x隔离式栅极驱动器中的单个通道的框图，该驱动器使用RF载波在隔离栅上传递信息。这种数字隔离技术提供了一个健壮的，隔离的数据路径，并且很容易与其他CMOS技术集成，如栅极驱动器。

图3：来自Silicon Labs的汽车级Si8239x隔离式栅极驱动器系列的单一状态

扩展数字隔离

图3所示的电路由APM控制器管理，该控制器生成PWM信号以控制栅极驱动器的电源开关。 为了获得最大效率，控制器需要监视所产生的电压，该过程也需要隔离，例如电隔离的模拟运放。将APM连接到更广泛的汽车控制系统的系统总线也需要隔离。例如很多设计使用CAN总线，APM包含用于CAN总线信号的数字隔离器。例如Silicon Labs的Si86xx，具有5 kVrms隔离度的多通道数字隔离器，已针对该应用进行了优化。就像隔离栅极驱动器一样，CMOS隔离栅允许集成高性能模拟和数字I / O功能。

结论

向电动汽车发展给整车厂（OEM）和一级供应商带来了重大的设计挑战。至少到目前为止，保持12V电源作为辅助电源可通过配套的原有系统简化任务。但是，取消主电源的12V电池电源（由发动机驱动的交流发电机）会增加辅助电源模块的复杂性。CMOS隔离技术带来的集成方面的进步简化了APM的设计，同时可以在车辆的全生命周期中提供安全可靠的操作。