Los microtransformadores proporcionan el aislamiento de la señal y la potencia para los vehículos eléctricos híbridos

Los vehículos eléctricos híbridos han ganado popularidad en los últimos años, ya que los consumidores buscan vehículos de combustible alternativo para ahorrar energía y reducir las emisiones de CO₂ de las emisiones. Los motores eléctricos son más eficientes energéticamente que los motores de combustión convencionales de gasolina, y pueden reducir considerablemente las emisiones. Aunque las baterías están en el corazón de los VH, también son la fuente de muchas barreras para la adopción de los VH debido a la fiabilidad, la seguridad, el peso y el coste. Para superar estos obstáculos, se emplean sistemas de supervisión de las baterías para mantener su longevidad y su funcionamiento seguro. Debido a su alta tensión de funcionamiento, se requieren sofisticadas técnicas de aislamiento.

El diseño de los sistemas de control de la batería (BMS) presenta algunos retos importantes, ya que la tensión de las celdas de la batería puede alcanzar los 400 V en muchos vehículos eléctricos híbridos. Este alto voltaje es necesario para proporcionar suficiente potencia al motor, pero crea un problema en la transmisión de las señales de corriente y voltaje del estado de carga (SOC) de las celdas de la batería al microcontrolador que procesa la información de todas las celdas para mantener un funcionamiento seguro de la pila de baterías. Para superar este obstáculo, los BMS utilizan el aislamiento galvánico para transmitir los datos de la batería de alto voltaje a los componentes electrónicos de bajo voltaje de otras partes del vehículo. Las soluciones de aislamiento tradicionales, como los optoacopladores, no son ideales para los vehículos eléctricos híbridos, ya que se degradan con el tiempo, especialmente en entornos de automoción en los que se esperan altas temperaturas ambientales, ni tienen suficiente ancho de banda para manejar la interfaz periférica en serie de alta velocidad (SPI) que se suele utilizar entre los CI de monitorización de la batería y el microcontrolador BMS.

El otro gran reto es conseguir el aislamiento de la potencia además del aislamiento de la señal en el BMS del HEV. Debe implementarse un sistema de protección de hardware para proporcionar energía aislada en el lado de la batería, de modo que los aisladores puedan transmitir información de seguridad, como la información de sobretensión, al microcontrolador para apagar el sistema adecuadamente en caso de un fallo de hardware. La información de seguridad debe ser ininterrumpida, incluso en caso de un fallo de hardware en el que no haya energía de la batería para alimentar los CI de control de la batería.

El nuevo iAcoplador aislante digital con isoLa alimentación proporciona el aislamiento de la señal y la potencia mediante transformadores en el chip. El acoplamiento magnético permite que la señal se transfiera a través de la barrera de aislamiento y iLos dispositivos de acoplamiento consumen mucha menos energía que los optoacopladores. La integración de una interfaz digital y multicanal hace que sean muy fáciles de usar y permite reducir considerablemente el número de componentes y el espacio de la placa. El rendimiento del dispositivo acoplado magnéticamente no tiene ningún mecanismo de desgaste y varía poco con el tiempo y la temperatura.

iTecnología de acoplamiento con isoPotencia

Los microtransformadores utilizados en iLos dispositivos de acoplamiento son bobinas apiladas construidas sobre sustratos CMOS, y se fabrican utilizando el procesamiento estándar de semiconductores. Las películas de poliimida intercaladas entre las bobinas superior e inferior de los microtransformadores se depositan a nivel de oblea y ofrecen un grosor bien controlado y una alta calidad estructural. Las películas de poliimida curadas utilizadas en iLos dispositivos de acoplamiento tienen una resistencia a la ruptura dieléctrica de más de 400V/µm. Con un grosor total de 20µm entre bobinas, las capas de poliamida permiten que los dispositivos soporten una tensión alterna instantánea de más de 8kV. Las películas de poliimida depositadas no tienen huecos y no sufren descargas de corona, iLos dispositivos de acoplamiento también presentan un buen comportamiento de envejecimiento y funcionan bien con tensiones de CA o CC. La poliimida también tiene una estabilidad térmica muy alta. Su temperatura de pérdida de peso es superior a 500°C, y su temperatura de transición vítrea es de unos 260°C.

La transferencia de señales lógicas a través de la barrera de aislamiento se consigue mediante una codificación adecuada en el lado primario y una descodificación en el lado secundario para recuperar las señales lógicas de entrada. En concreto, se transmiten pulsos cortos de aproximadamente 1ns de anchura a través de los transformadores, con dos pulsos cortos consecutivos para indicar un flanco de subida y un único pulso corto para indicar un flanco de bajada. Un monoestable no retransmisible en el secundario genera impulsos de detección. Si se detectan dos pulsos, la salida se pone en ALTO. Si sólo se detecta un impulso, la salida se pone en LOW.

Para transmitir la energía a través de la barrera de aislamiento, estos microtransformadores se conmutan de forma resonante para conseguir una transferencia de energía eficiente, mientras que la regulación de la energía se consigue mediante una señal de retroalimentación PWM de baja frecuencia, que controla el ciclo de trabajo bajo el cual la acción resonante de alta frecuencia permanece activada. Tanto los interruptores del transformador como los diodos Schottky utilizados para la rectificación están implementados en el chip.

En la Figura 1 se muestra un ejemplo de implementación de un aislador de cuatro canales con un convertidor CC/CC aislado totalmente integrado en un encapsulado SOIC de 16 patillas. El chip de la izquierda contiene interruptores CMOS de alta tensión y el de la derecha contiene los diodos rectificadores y el controlador del convertidor. Dos interruptores y transformadores acoplados en cruz forman la oscilación y se utilizan diodos Schottky para una rectificación rápida y eficaz. Los chips del transformador están situados en el centro. En esta implementación, los transformadores están en chips separados, pero, en principio, los transformadores pueden colocarse en los mismos chips que los interruptores o los diodos Schottky. En el chip transformador superior, los dos transformadores más grandes son transformadores de potencia, mientras que el transformador más pequeño se utiliza para transmitir la señal PWM de retroalimentación. El chip transformador inferior contiene cuatro microtransformadores adicionales para el aislador de cuatro canales. Los chips izquierdo y derecho también contienen los circuitos de codificación y descodificación de los aisladores de cuatro canales.

Los controles de compuerta de medio puente totalmente integrados, los convertidores analógico-digitales (ADC) aislados y los transceptores aislados que también son necesarios para el aislamiento en los HEV pueden implementarse de forma similar. El aislamiento de la señal y la potencia permite una integración funcional que puede reducir significativamente la complejidad, el tamaño y el coste total de los sistemas aislados para aplicaciones HEV.

Aislamiento para los sistemas de control de las baterías de los HEV

Uno de los principales obstáculos para una adopción más rápida de los HEV es el coste adicional, el peso y los problemas de seguridad asociados a las baterías que se necesitan para accionar los motores eléctricos. Es muy importante controlar el estado de carga (SOC) y el estado de salud (SOH) de cada célula de la batería. El BMS es esencial para garantizar un funcionamiento seguro y la máxima vida útil de la batería.

La figura 2 muestra un ejemplo de implementación de un BMS en un HEV. Un CI de monitorización de la batería, como el AD7280, controla el SOC de la batería y se comunica con el controlador a través de la interfaz SPI. La interfaz SPI está aislada por el ADuM5401, un aislador de cuatro canales con un convertidor DC/DC de 500mW integrado y aislado. Además del CI de monitorización de la batería, se suele utilizar un sistema de protección de hardware redundante para garantizar que el voltaje de las celdas de la batería está dentro de los rangos de funcionamiento seguros. En caso de error de hardware, el sistema de protección de hardware podrá comunicarse con el microcontrolador a través de un aislador de dos canales, el ADuM1201, y apagar adecuadamente los componentes del sistema relacionados. Si el CI de monitorización de la batería requiere más de cinco canales de aislamiento, se pueden utilizar otros dispositivos con mayor número de canales, como el ADuM130x y el ADuM140x IsoLa fuente de alimentación desempeña un papel muy importante en este caso, ya que tenemos que garantizar la protección del sistema, incluso si la energía de la batería no está disponible. La fuente de alimentación aislada de 500mW puede utilizarse para alimentar el CI de protección del hardware, los aisladores del lado de la batería y también para alimentar los ADCs dentro de los CIs de monitorización de la batería si no hay un regulador interno de los terminales de la batería para alimentar los ADCs.

Si se necesitan varios circuitos integrados de batería, es posible aplicar un aislamiento específico para cada célula de batería, especialmente cuando cada célula de batería tiene su propio módulo. Como alternativa, se puede utilizar la capacidad de conexión en cadena de los CI de monitorización de la batería, como el AD7280, para pasar los comandos SPI a varios CI de monitorización de la batería sin utilizar el aislamiento. Sólo el CI del monitor de la batería de la pila inferior necesita comunicarse con el controlador BMS a través de una interfaz aislada.

El controlador BMS también se comunicará con los demás controladores del sistema a través del bus CAN principal del vehículo. Se puede utilizar el ADuM1201 o el ADuM5201 para proporcionar aislamiento entre el controlador BMS y un transceptor CAN. El ADuM5201 tiene la ventaja de proporcionar alimentación aislada a los transceptores CAN desde el controlador BMS.

Aislamiento para un motor de accionamiento HEV

Los elementos más importantes son, por supuesto, los motores eléctricos que permiten a los HEV mejorar su eficiencia en determinadas condiciones de conducción en comparación con un motor de combustión interna. Sus requisitos de aislamiento son muy similares a los de los accionamientos de los motores industriales. Sin embargo, hay algunos requisitos únicos. Los inversores utilizados para accionar los motores eléctricos de los HEV deben ser más compactos, ligeros, altamente eficientes y fiables. Además, deben ser capaces de funcionar a altas temperaturas.

En un sistema de accionamiento del motor para los HEV, hay dos partes principales del circuito que requieren aislamiento. Uno es el control de la puerta de los IGBT de los puentes inversores, y el otro es la detección de la corriente de fase del motor. La detección de la corriente de fase protege el dispositivo IGBT y proporciona una retroalimentación de corriente lineal al controlador para mantener el control de la corriente en bucle cerrado. Para detectar la corriente de fase se suelen utilizar resistencias de derivación en serie, junto con ADC de alta precisión a la salida del inversor. Se necesitan fuentes de alimentación aisladas para proporcionar la polarización para el ADC de detección de corriente y el circuito de control de la puerta, y se necesitan fuentes de alimentación independientes para cada fase. Los complicados requisitos de aislamiento de la señal y de la fuente de alimentación para los accionamientos de motores de CA pueden simplificarse en gran medida utilizando iDispositivos de acoplamiento.

En la figura 3 se muestra un ejemplo de aplicación para un accionamiento de motor de baja potencia. El ADuM5230 es un controlador de puerta de medio puente con una alimentación integrada de 200mW a 15V en el lado alto. Proporciona una salida de control de puerta de 15 V aislada para el IGBT del lado alto y otra salida de control de puerta de 15 V aislada para el IGBT del lado bajo. El aislamiento del lado bajo protege al controlador de los daños causados por los transitorios de conmutación inductivos de la conmutación de grandes IGBT. La fuente de alimentación del lado alto de 15 V, generada por un convertidor CC/CC integrado, alimenta el circuito tampón para accionar el gran IGBT, y también puede utilizarse con un diodo Zener para generar una fuente de alimentación inferior de 3 a 5 V para alimentar el ADC de detección de corriente, como el AD7401.

El AD7401 es un modulador sigma-delta de segundo orden aislado que convierte la entrada analógica en un flujo de datos de alta velocidad de un solo bit que puede interactuar directamente con el controlador. Recibe el reloj del controlador y envía el flujo de datos sincronizados al controlador. Sin un ADC integrado, se necesitarían varios optoacopladores y los optoacopladores lentos no suelen ser adecuados para transmitir este flujo de datos de alta velocidad. Tanto los controladores de puerta de lado alto como el ADC con detección de corriente tienen sus tierras referenciadas a las salidas del inversor, que pueden conmutar muy rápidamente iEl aislamiento del acoplador con una alta inmunidad a los transitorios en modo común es importante para mantener la integridad de los datos en la conmutación y detección de la corriente lateral alta.

Las líneas de puntos rojas de la figura 3 se utilizan para mostrar las ubicaciones de la barrera de aislamiento, y los componentes del circuito que aparecen en el recuadro azul pueden reproducirse para los inversores de puente de otras fases. Las salidas del inversor deben estar aisladas entre sí y varios conductores de red de medio puente lo conseguirán. Cada uno de los controladores de red de medio puente generará su propia señal de control de red y de alimentación de lado alto.

Para conseguir un diseño compacto, en los PHEV se suelen utilizar módulos de potencia inteligentes. En la figura 4 se muestra la implementación del sistema de accionamiento del motor de un OHV mediante módulos de accionamiento de la red inteligente. Las seis señales de accionamiento de la puerta suelen estar aisladas por aisladores lógicos, y proporcionan entradas a un módulo de accionamiento de la puerta que proporciona un cambio de nivel o aislamiento adicional para los dispositivos IGBT del lado alto. El aislamiento lógico facilita la comunicación entre el controlador y la tierra del enlace de CC, por ejemplo, transmitiendo al controlador la información de detección de la tensión o la corriente del enlace de CC.

Al igual que el ADuM5401, el ADuM5400 es un aislador de cuatro canales con un convertidor DC/DC incorporado que proporciona una potencia aislada de hasta 500mW. Aísla cuatro de las seis señales de control de la puerta del controlador. El ADuM1401, otro aislador de cuatro canales, proporciona aislamiento para las otras dos señales de control de la puerta. Los dos canales de aislamiento no utilizados se pueden emplear para la comunicación en serie entre el controlador y un ADC no aislado que puede utilizarse para la detección de la tensión HVDC, por ejemplo. La potencia aislada de 500mW del ADuM5400 puede utilizarse para alimentar todos los circuitos lógicos que estén conectados a tierra en el lado bajo, como el lado de salida del ADuM1401, el ADC utilizado para la detección de tensión.

Conclusión

En resumen, iLa tecnología de los acopladores proporciona soluciones de aislamiento sólidas para los sistemas de accionamiento del motor eléctrico y del BMS en los HEV. Elimina muchas de las limitaciones de otras soluciones de aislamiento. Proporciona una solución de aislamiento completa en un solo paquete, lo que reduce significativamente el número de componentes y el coste del sistema, simplifica el diseño del sistema y reduce el tiempo de diseño adicional. Hace que los HEV sean más eficientes, compactos, ligeros y fiables.