Soddisfare la sfida del rilevamento preciso della tensione nei veicoli elettrici con gli amplificatori di isolamento

I progettisti di veicoli elettrici (EV) e ibridi elettrici (HEV) devono soddisfare la richiesta di prestazioni più elevate, ricarica più rapida e maggiore efficienza. Una delle numerose funzioni elettroniche che possono contribuire a soddisfare queste esigenze è il rilevamento accurato della tensione per un controllo ottimale della potenza.

Tuttavia, le applicazioni automotive sono particolarmente impegnative. L'elettronica di potenza deve funzionare in modo affidabile per decenni nonostante le temperature estreme e la presenza di tensioni elevate che richiedono un isolamento adeguato. I circuiti di rilevamento della tensione per queste applicazioni devono offrire un'elevata larghezza di banda, un basso livello di errore e di deriva e un'elevata immunità ai transitori di modo comune (CMTI), rispettando al contempo gli standard automotive come AEC-Q100. Questi requisiti sono particolarmente importanti per i componenti critici degli EV e HEV, tra cui gli inverter, i convertitori c.c./c.c. e i caricabatterie di bordo.

Gli amplificatori di isolamento basati sui trasformatori sono adatti a queste applicazioni. Questi dispositivi utilizzano una tecnologia avanzata per ottenere prestazioni eccellenti nel corso di decenni di esposizione a condizioni difficili.

Questo articolo esamina i principi di funzionamento degli amplificatori di isolamento. Presenta quindi un prodotto di esempio basato sui trasformatori che utilizza la tecnologia iCoupler di Analog Devices, ne esamina le potenziali applicazioni nello sviluppo di EV/HEV e presenta una scheda di valutazione che aiuta a iniziare la progettazione.

Principi di funzionamento degli amplificatori di isolamento a trasformatore

Gli amplificatori di isolamento sono amplificatori differenziali specializzati che forniscono isolamento elettrico tra i circuiti di ingresso e di uscita. Questo isolamento può essere ottenuto con diversi mezzi, ma gli amplificatori di isolamento a trasformatore come ADuM3195 (Figura 1) offrono vantaggi unici per le applicazioni EV/HEV.

Figura 1: L'amplificatore di isolamento ADuM3195 utilizza un isolamento basato sui trasformatori. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Nei progetti basati sui trasformatori, l'isolamento si ottiene attraverso l'accoppiamento dei trasformatori. Il principio di funzionamento di base prevede le seguenti fasi:

1. Il segnale di ingresso viene convertito in un segnale portante ad alta frequenza.
2. Il segnale portante viene quindi trasmesso attraverso la barriera di isolamento mediante un trasformatore.
3. Sul lato secondario del trasformatore, il segnale originale viene ricostruito dalla portante.

Il trasformatore svolge due funzioni fondamentali. Fornisce l'isolamento galvanico tra i circuiti di ingresso e di uscita per la misurazione sicura di tensioni elevate e la protezione dei circuiti sensibili. Consente inoltre il trasferimento del segnale senza una connessione elettrica diretta attraverso la barriera di isolamento.

L'isolamento basato sui trasformatori offre vantaggi significativi per le applicazioni di rilevamento della tensione. Questi amplificatori respingono efficacemente le tensioni di modo comune, fondamentali negli ambienti elettrici rumorosi. Inoltre, i progetti moderni raggiungono ampie larghezze di banda adatte a molte applicazioni di elettronica di potenza.

Vantaggi prestazionali dei microtrasformatori planari per gli amplificatori di isolamento

La tecnologia iCoupler, sviluppata da Analog Devices, rappresenta un progresso nella progettazione degli amplificatori di isolamento. I dispositivi iCoupler sono caratterizzati da microtrasformatori planari con un diametro tipico di circa 0,5 mm, per soluzioni notevolmente compatte. Le piccole dimensioni offrono inoltre una resistenza intrinseca ai campi magnetici esterni, migliorando l'affidabilità.

Il cuore delle prestazioni di iCoupler è costituito da uno strato isolante in poliimmide (Figura 2). Questo isolamento garantisce un'elevata stabilità termica e meccanica, rendendo il dispositivo eccezionalmente resistente. Può resistere a sovratensioni superiori a 10 kV e offre un'affidabilità a lungo termine in caso di funzionamento continuo a 400 V_RMS.

Figura 2: Il cuore delle prestazioni di iCoupler è costituito da uno strato isolante in poliimmide che garantisce un'elevata stabilità termica e meccanica. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Una caratteristica essenziale della tecnologia iCoupler è la sua capacità di funzionare alle alte frequenze, supportando trasferimenti di dati fino a 150 Mbps. Questo risultato si ottiene in parte grazie a una metodologia di codifica del segnale estremamente efficiente. I dati sono codificati in impulsi di 1 ns che consentono un rapido trasferimento dei dati e un basso consumo energetico, in genere inferiore a 1 mA per canale (Figura 3).

Figura 3: Un metodo di codifica altamente efficiente consente ai dispositivi iCoupler di trasferire dati a 150 Mbps con un consumo tipico inferiore a 1 mA per canale. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Inoltre, i dispositivi iCoupler incorporano filtri glitch di ingresso per ridurre il rumore e garantire una trasmissione pulita del segnale, migliorando le prestazioni negli ambienti automotive caratterizzati da rumore elettromagnetico.

Caratteristiche principali degli amplificatori di isolamento qualificati per il settore automotive

La tecnologia iCoupler è stata implementata in diversi dispositivi, tra cui l'amplificatore di isolamento ADuM3195WBRQZ. Questa versione del modello ADuM3195, conforme alla normativa AEC-Q100, è progettata specificamente per gli ambienti automotive. Ha una tensione di isolamento di 3.000 V_RMS, una tensione di offset di uscita di ±6 mV (max) a 25 °C, un errore di guadagno di ±0,5% (max), una larghezza di banda di 210 kHz, una deriva del guadagno di ±27 ppm/°C (max) e una deriva di offset di -22 μV/°C (tipica). Il dispositivo ha un CMTI di 150 kV/µs (tipico), un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 °C e 125 °C, impostazioni di guadagno configurabili e viene fornito in un contenitore QSOP a 16 conduttori.

Queste caratteristiche rendono ADuM3195WBRQZ adatto a misurazioni di tensione precise e isolate in applicazioni automotive complesse, tra cui:

• Monitoraggio della tensione nei sistemi di gestione delle batterie (BMS)
• Anelli di retroazione negli alimentatori
• Inverter e comandi motore

L'elevata precisione, l'ampia larghezza di banda, il basso consumo energetico e le robuste capacità di isolamento rendono ADuM3195WBRQZ una soluzione particolarmente efficace per il rilevamento della tensione nei sistemi EV/HEV.

Requisiti degli amplificatori di isolamento per inverter, convertitori c.c./c.c. e caricabatterie di bordo

L'amplificatore di isolamento ADuM3195WBRQZ affronta le sfide critiche dei sistemi di alimentazione EV/HEV, tra cui inverter, convertitori c.c./c.c. e caricabatterie di bordo.

La larghezza di banda di 210 kHz assicura tempi di risposta inferiori a 5 μs, fondamentali per una carica efficiente, un controllo preciso dell'inverter e un ripple di tensione ridotto al minimo nei convertitori c.c./c.c. L'elevata larghezza di banda consente inoltre di utilizzare componenti passivi più piccoli e supporta l'integrazione di dispositivi ad ampio bandgap, migliorando l'efficienza complessiva del sistema e la densità di potenza.

L'ingresso ad alta impedenza di ADuM3195WBRQZ riduce al minimo la perdita di potenza legata alla misurazione e stabilizza le operazioni del convertitore e dell'inverter. La riduzione dell'assorbimento di corrente riduce anche lo stress sui circuiti ausiliari, migliorando l'affidabilità del sistema.

L'elevata tolleranza alla temperatura di ADuM3195WBRQZ ne consente la collocazione in prossimità di componenti che generano calore, come motori elettrici, caricabatterie di bordo e sistemi di frenatura rigenerativa, per aiutare a prevenire la fuga termica, gestire il ciclaggio termico ed evitare i punti caldi nell'elettronica di potenza.

Per i convertitori c.c./c.c. che gestiscono diverse tensioni di uscita, ADuM3195WBRQZ è caratterizzato da un basso errore di offset e da una deriva di offset che garantiscono un feedback di tensione accurato in presenza di variazioni termiche. Questa precisione contribuisce alla precisione del controllo, alla riduzione del ripple e al miglioramento delle prestazioni della trasmissione.

La tensione di isolamento di 3.000 V_RMS di ADuM3195WBRQZ protegge l'elettronica a bassa tensione e gli occupanti del veicolo dai sistemi ad alta tensione (fino a 400 V). Fornisce un'efficace reiezione del rumore tra gli stadi di potenza e i circuiti di controllo nei sistemi di batterie EV, interfacciandosi con i sistemi a bassa tensione (12/48 V).

Soddisfacendo questi requisiti critici, ADuM3195WBRQZ migliora le prestazioni, l'efficienza e la sicurezza dei sistemi di alimentazione EV/HEV.

Si noti che ADuM4195 è disponibile per requisiti di sistema a tensione più elevata, fornendo una tensione di isolamento fino a 5.000 V_RMS e una protezione dell'elettronica a bassa tensione fino a 800 V.

Dare il via allo sviluppo con ADuM3195

La scheda EVAL-ADuM3195EBZ (Figura 4) è una scheda di valutazione compatta progettata per testare e valutare le caratteristiche prestazionali dell'amplificatore di isolamento ADuM3195. Si tratta di una scheda di monitoraggio della tensione isolata che può essere configurata per misurazioni sia in corrente continua che in corrente alternata. Questa scheda è preconfigurata per gestire tensioni di ingresso fino a 1.000 V_c.c. (continue).

Figura 4: La scheda di valutazione EVAL-ADuM3195EBZ è stata progettata per la configurazione e il test di ADuM3195. (Immagine per gentile concessione di Analog Devices, Inc.)

Le caratteristiche della scheda di valutazione EVAL-ADuM3195EBZ possono contribuire a iniziare lo sviluppo di applicazioni EV/HEV in diversi modi:

• Isolamento e misurazione ad alta tensione: la scheda è progettata per misurare in modo sicuro tensioni c.c. elevate fino a 1.000 V, particolarmente importanti per i sistemi di batterie EV/HEV. Ciò consente agli sviluppatori di monitorare le tensioni delle batterie, di misurare le tensioni delle singole celle in un BMS e di interfacciarsi con linee di bus c.c. ad alta tensione.
• Intervallo di ingresso configurabile: il divisore di tensione di ingresso può essere regolato per adattarsi a diversi intervalli di tensione comuni nei sistemi EV/HEV. Ad esempio, un bus da 400 V_c.c. è tipico in molti veicoli elettrici, sistemi da 800 V nelle architetture EV più recenti e intervalli di tensione più bassi per i sistemi ibridi leggeri da 48 V.
• Capacità di misurazione c.a.: con piccole modifiche, la scheda può misurare tensioni c.a., utili per il monitoraggio dell'uscita dell'inverter del motore, per le misurazioi del sistema di ricarica c.a. e per l'analisi delle interferenze elettromagnetiche (EMI)/rumore sulle linee ad alta tensione.
• Opzione a basso consumo: per ridurre il consumo energetico, l'ingresso di disabilitazione dell'alimentazione (PDIS) può disattivare l'alimentazione interna quando è necessario utilizzare l'energia in modo oculato.

Conclusione

I progettisti di EV e HEV richiedono un rilevamento di precisione in vari sottosistemi per raggiungere gli obiettivi di prestazione ed efficienza. Un amplificatore di isolamento basato su microtrasformatori, come ADuM3195WBRQZ con certificazione AEC-Q100, è adatto a questa applicazione, in quanto offre una combinazione di prestazioni, miniaturizzazione e durata che soddisfa i requisiti di progettazione critici. La scheda di valutazione associata a questo amplificatore di isolamento consente ai progettisti di essere rapidamente operativi.