Detectarea precisă a tensiunii în vehiculele electrice – o provocare rezolvată cu amplificatoare de izolare

Detectarea precisă a tensiunii în vehiculele electrice – o provocare rezolvată cu amplificatoare de izolare

În acest articol sunt prezentate principiile de funcționare ale amplificatoarelor de izolare. Ulterior, este analizat un exemplu bazat pe transformator, care utilizează tehnologia iCoupler de la Analog Devices, sunt explorate aplicațiile sale potențiale în dezvoltarea vehiculelor electrice și hibride și este prezentată o placă de evaluare ce poate sprijini demararea procesului de proiectare.

Proiectanții de vehicule electrice (EV) și vehicule hibride electrice (HEV) trebuie să răspundă cerințelor privind performanța sporită, încărcarea rapidă și eficiența energetică ridicată. Printre numeroasele funcții electronice care contribuie la îndeplinirea acestor cerințe se numără și detectarea precisă a tensiunii.

Totuși, aplicațiile auto sunt deosebit de exigente. Componentele electronice de putere trebuie să funcționeze fiabil timp de zeci de ani, în condiții de temperaturi extreme și în prezența tensiunilor ridicate, care impun o izolare adecvată. Circuitele de detectare a tensiunii utilizate în aceste aplicații trebuie să asigure o lățime de bandă mare, erori și deviații reduse, precum și o imunitate tranzitorie diferențială ridicată (CMTI), respectând în același timp standardele din industria auto, cum ar fi AEC-Q100. Aceste cerințe sunt esențiale pentru componentele critice din EV și HEV, inclusiv invertoare, convertoare DC-DC și încărcătoare integrate.

Amplificatoarele de izolare bazate pe transformatoare sunt potrivite pentru astfel de aplicații. Aceste dispozitive folosesc o tehnologie avansată pentru a oferi performanțe excelente pe termen lung, chiar și în condiții de funcționare dificile.

Principiile de funcționare ale amplificatoarelor de izolare bazate pe transformatoare

Amplificatoarele de izolare sunt amplificatoare diferențiale specializate care asigură izolarea electrică între circuitele de intrare și cele de ieșire. Izolarea poate fi realizată prin diverse metode, însă amplificatoarele de izolare bazate pe transformatoare – precum dispozitivul ADuM3195 (Figura 1), oferă avantaje unice în aplicațiile EV/HEV.

Figura 1: Amplificatorul de izolare ADuM3195 utilizează izolare bazată pe transformator. (Sursa imaginii: Analog Devices, Inc.)

În astfel de soluții, izolarea este obținută prin cuplajul oferit de transformator. Principiul de funcționare se bazează pe următoarele etape:

1. Semnalul de intrare este convertit într-un semnal purtător de înaltă frecvență.
2. Acest semnal purtător este transmis peste bariera de izolare prin intermediul unui transformator.
3. Pe partea secundară, semnalul original este reconstruit din semnalul purtător.

Transformatorul îndeplinește două funcții esențiale. Asigură izolarea galvanică între circuitele de intrare și ieșire, permițând măsurarea în siguranță a tensiunilor ridicate și protejând circuitele sensibile. Permite transferul semnalului fără o conexiune electrică directă între cele două părți ale circuitului.

Izolarea bazată pe transformator aduce beneficii semnificative în aplicațiile de detectare a tensiunii. Aceste amplificatoare oferă o bună respingere a tensiunilor de mod comun, un aspect esențial în medii electrice zgomotoase. În plus, proiectele moderne permit atingerea unor lățimi de bandă largi, adecvate pentru numeroase aplicații de electronică de putere.

Performanțele microtransformatoarelor planare în amplificatoarele de izolare

Figura 2: Stratul izolator din polimidă contribuie la stabilitatea termică și mecanică a tehnologiei iCoupler.(Sursa imaginii: Analog Devices, Inc.)

Tehnologia iCoupler, dezvoltată de Analog Devices, marchează un progres semnificativ în proiectarea amplificatoarelor de izolare. Dispozitivele iCoupler integrează microtransformatoare planare cu un diametru tipic de aproximativ 0,5 milimetri, permițând realizarea unor soluții extrem de compacte. Dimensiunile reduse contribuie totodată la o rezistență sporită la câmpurile magnetice externe, sporind astfel fiabilitatea generală a sistemului.

Un element-cheie al performanței iCoupler este stratul izolator din polimidă (Figura 2), care oferă o stabilitate termică și mecanică ridicată, conferind dispozitivelor o durabilitate excepțională. Acest strat poate rezista la supratensiuni de peste 10 kilovolți (kV) și asigură o funcționare fiabilă pe termen lung, inclusiv în condiții de funcționare continuă la 400 V tensiune eficace (V_RMS).

O caracteristică esențială a tehnologiei iCoupler este capacitatea de a opera la frecvențe înalte, susținând viteze de transfer de date de până la 150 megabiți pe secundă (Mbps). Această performanță este posibilă, în parte, datorită unei metodologii extrem de eficiente de codificare a semnalelor. Datele sunt transmise sub formă de impulsuri de 1 nanosecundă (ns), ceea ce permite o transmisie rapidă și un consum redus de energie – în general mai puțin de 1 miliamper (mA) per canal (Figura 3).

Figura 3: Codificarea eficientă permite transmisii de până la 150 Mbps cu un consum redus de energie (<1 mA/canal). (Sursa imaginii: Analog Devices, Inc.)

În plus, dispozitivele iCoupler integrează filtre de tip “glitch” pe intrare, menite să reducă zgomotul și să asigure o transmisie curată a semnalului – un avantaj important pentru aplicațiile auto expuse interferențelor electromagnetice. (n. red.: În electronică digitală, un “glitch” este o fluctuație bruscă și nedorită a semnalului (impuls parazitar), cauzată de întârzieri interne în circuite sau de zgomot extern. Aceste impulsuri scurte pot duce la erori de interpretare în circuitele sensibile.)

Caracteristici cheie ale amplificatoarelor de izolare certificate pentru industria auto

Tehnologia iCoupler a fost implementată într-o gamă largă de dispozitive, printre care și amplificatorul de izolare ADuM3195WBRQZ. Această versiune a modelului ADuM3195, conformă cu standardul AEC-Q100, a fost creată special pentru aplicațiile din domeniul auto. Dispozitivul oferă o tensiune de izolare de 3.000 V_RMS, o tensiune de offset la ieșire de ±6 milivolți (mV) (maxim) la 25°C, o eroare de câștig de ±0,5% (maxim), o lățime de bandă de 210 kilohertzi (kHz), o derivație a câștigului de ±27 ppm/°C (maxim) și o variație tipică a offsetului de -22 microvolți/°C (μV/°C).

De asemenea, dispune de o imunitate tranzitorie diferențială (CMTI) de 150 kV/μs (tipic), un interval extins de temperatură de funcționare cuprins între -40 °C și +125°C, câștig configurabil și este disponibil într-o capsulă QSOP cu 16 pini.

Aceste caracteristici fac ca ADuM3195WBRQZ să fie ideal pentru măsurători precise și izolate ale tensiunii în aplicații auto exigente, inclusiv:

• Monitorizarea tensiunii în sistemele de gestionare a bateriilor (BMS)
• Bucle de reacție în sursele de alimentare
• Sisteme de invertoare și acționare a motorului

Datorită preciziei ridicate, lățimii mari de bandă, consumului redus de energie și capacităților robuste de izolare, ADuM3195WBRQZ reprezintă o soluție eficientă pentru detecția tensiunii în sistemele EV/HEV.

Cerințe privind amplificatoarele de izolare pentru invertoare, convertoare DC/DC și încărcătoare integrate

Amplificatorul de izolare ADuM3195WBRQZ răspunde cerințelor critice ale sistemelor de alimentare din vehiculele electrice și hibride (EV/HEV), inclusiv în aplicații precum invertoare, convertoare DC-DC și încărcătoare integrate.

Lățimea de bandă de 210 kHz permite timpi de răspuns sub 5 μs, esențiali pentru încărcarea rapidă, controlul precis al invertorului și reducerea undelor de tensiune în convertoarele DC-DC. Această caracteristică contribuie, totodată, la utilizarea unor componente pasive mai mici și susține integrarea cu dispozitive de tip “wide bandgap” (bandă largă interzisă), crescând eficiența globală și densitatea de putere a sistemului.

Intrarea de impedanță ridicată reduce pierderile de putere asociate măsurării și stabilizează funcționarea convertoarelor și invertoarelor. De asemenea, consumul redus de curent limitează solicitarea circuitelor auxiliare, ceea ce îmbunătățește fiabilitatea sistemului.

Datorită toleranței la temperaturi ridicate, ADuM3195WBRQZ poate fi amplasat în apropierea componentelor generatoare de căldură – cum sunt motoarele electrice, încărcătoarele integrate sau sistemele de frânare regenerativă – contribuind la gestionarea ciclurilor termice, prevenirea supraîncălzirii și evitarea apariției punctelor fierbinți în electronica de putere.

Optimizare termică și fiabilitate în aplicații EV/HEV

În aplicațiile cu convertoare DC-DC care gestionează mai multe niveluri de tensiune, eroarea redusă de offset și deriva termică scăzută permit o reacție precisă a tensiunii la variațiile de temperatură. Acest lucru asigură un control stabil, reducerea ripplului (ondulației tensiunii) și performanțe îmbunătățite la nivelul transmisiei de putere.

Tensiunea de izolare de 3.000 V_RMS protejează componentele electronice de joasă tensiune, precum și utilizatorii, față de părțile de înaltă tensiune (până la 400 V). De asemenea, amplificatorul oferă o bună respingere a zgomotului între etajele de putere și circuitele de control, esențială în sistemele de baterii EV care interacționează cu rețelele de joasă tensiune (12/48 V).

Prin satisfacerea acestor cerințe esențiale, ADuM3195WBRQZ contribuie la îmbunătățirea performanței, eficienței energetice și siguranței sistemelor de alimentare EV/HEV.

Este important de menționat că pentru cerințele care implică tensiuni de izolare mai mari, Analog Devices oferă și modelul ADuM4195 , cu o tensiune de izolare de până la 5.000 V_RMS, asigurând protecție pentru aplicații de până la 800 V pe partea de joasă tensiune.

Dezvoltare rapidă cu ADuM3195: placă de evaluare EVAL-ADuM3195EBZ

Figura 4: Placa de evaluare EVAL-ADuM3195EBZ este proiectată pentru testarea și configurarea rapidă a amplificatorului ADuM3195. (Sursa imaginii: Analog Devices, Inc.)

EVAL-ADuM3195EBZ (Figura 4) este o placă de evaluare compactă, proiectată pentru testarea și analiza caracteristicilor de performanță ale amplificatorului de izolare ADuM3195. Placa permite monitorizarea tensiunii izolate și poate fi configurată pentru măsurători atât în curent continuu (DC), cât și în curent alternativ (AC). Este preconfigurată pentru a suporta tensiuni de intrare de până la 1.000 VDC.

Caracteristicile plăcii EVAL-ADuM3195EBZ facilitează demararea rapidă a dezvoltării aplicațiilor EV/HEV în mai multe moduri:

• Izolare și măsurare a tensiunilor ridicate: Placa este optimizată pentru măsurarea în siguranță a tensiunilor continue de până la 000 V, un aspect esențial pentru sistemele de baterii din vehiculele electrice. Astfel, dezvoltatorii pot monitoriza tensiunile pachetelor de baterii, pot măsura tensiunile celulelor individuale într-un sistem BMS și pot interacționa cu magistralele DC de înaltă tensiune.
• Interval de intrare configurabil: Divizorul de tensiune de intrare poate fi ajustat pentru a se adapta la diferite niveluri de tensiune utilizate în sistemele EV/HEV. De exemplu: 400 VDC este tipic pentru majoritatea vehiculelor electrice, 800 V pentru arhitecturile EV de generație nouă și 48 V în sistemele hibride ușoare.
• Capacitate de măsurare în curent alternativ: Cu modificări minore, placa permite măsurători de tensiune în regim AC, utile pentru monitorizarea ieșirii invertorului motorului de tracțiune, măsurarea parametrilor din sistemele de încărcare AC sau pentru analiza interferențelor electromagnetice (EMI) și a zgomotului de pe liniile de înaltă tensiune.
• Mod de consum redus de energie: Placa include o intrare de dezactivare a alimentării (PDIS – Power Disable Input), care permite dezactivarea sursei interne de alimentare atunci când este necesară optimizarea consumului de energie.

Concluzie

Proiectanții de vehicule electrice și hibride au nevoie de senzori de înaltă precizie în diferite subsisteme, pentru a atinge obiectivele de performanță și eficiență ale sistemului. Un amplificator de izolare bazat pe microtransformator, precum modelul certificat AEC-Q100 ADuM3195WBRQZ, reprezintă o soluție ideală, oferind un echilibru optim între performanță, miniaturizare și durabilitate – caracteristici esențiale în aplicațiile critice din domeniul auto. Placa de evaluare asociată acestui amplificator permite inginerilor să demareze rapid procesul de dezvoltare și testare a soluțiilor dedicate vehiculelor electrice și hibride.

Autor: Rolf Horn – Inginer de aplicații
Rolf Horn, inginer de aplicații la DigiKey, face parte din grupul european de asistență tehnică din 2014, având responsabilitatea principală de a răspunde la orice întrebări legate de dezvoltare și inginerie de la clienții finali din EMEA, precum și de a scrie și corecta articole și bloguri în limba germană pe platformele TechForum și maker.io ale DK. Înainte de DigiKey, a lucrat la mai mulți producători din domeniul semiconductorilor, axându-se pe sisteme embedded FPGA, microcontrolere și procesoare pentru aplicații industriale și auto. Rolf deține o diplomă în inginerie electrică și electronică de la Universitatea de Științe Aplicate din München, Bavaria și și-a început cariera profesională la un distribuitor local de produse electronice în calitate de arhitect de soluții de sistem pentru a-și împărtăși cunoștințele și expertiza în continuă creștere în calitate de consilier de încredere. Hobby-uri: petrecerea timpului cu familia + prietenii, călătoriile cu autorulota personală VW-California și plimbarea cu motocicleta, un BMW GS 100 din 1988.

DigiKey   |   https://www.digikey.ro