TI 推出固態(tài)繼電器以實(shí)現(xiàn)更安全的電動(dòng)汽車(chē)

TI 推出固態(tài)繼電器以實(shí)現(xiàn)更安全的電動(dòng)汽車(chē) 

德州儀器 (TI) 著眼于改進(jìn)電動(dòng)汽車(chē)的隔離技術(shù)，正在推出兩款固態(tài)繼電器芯片，旨在取代傳統(tǒng)的汽車(chē)機(jī)械繼電器。

隨著電動(dòng)汽車(chē) (EV) 設(shè)計(jì)開(kāi)始加速和普及，它們也在從 400 V 電池架構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)?800 V 電池架構(gòu)。這對(duì)安全性和復(fù)雜性提出了新的挑戰(zhàn)。為了滿足這些需求，德州儀器宣布推出兩款全新固態(tài)繼電器IC，旨在解決當(dāng)今電動(dòng)汽車(chē)設(shè)計(jì)工程師面臨的安全性和可靠性障礙。  

在本文中，討論了為什么隔離在電動(dòng)汽車(chē)中至關(guān)重要，為什么固態(tài)繼電器提供了一種有吸引力的方法，檢查了新繼電器產(chǎn)品的細(xì)節(jié)，并分享了對(duì)德州儀器電源開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)人采訪中的見(jiàn)解.

電動(dòng)汽車(chē)安全問(wèn)題岌岌可危

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，汽車(chē)基本上是人機(jī)界面 (HMI) 的最大例子。換句話說(shuō)，人類(lèi)每天都會(huì)接觸、操作和使用的最大類(lèi)型的設(shè)備。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，這導(dǎo)致了一種固有的危險(xiǎn)情況。

電源隔離在 EV 中極為重要，隨著 EV 行業(yè)從 400 V 電池過(guò)渡到 800 V 電池，更是如此。TI 推出了一對(duì)固態(tài)繼電器 IC，該公司聲稱(chēng)這些提供了業(yè)界最小的解決方案尺寸，并降低了基于 800 V 系統(tǒng)的動(dòng)力總成和電池管理系統(tǒng) (BMS) 的物料清單 (BOM) 成本。

從機(jī)械到固態(tài)繼電器

汽車(chē)行業(yè)在使用機(jī)械繼電器提供隔離方面有著悠久的歷史。還使用了固態(tài)光繼電器（基于光電的繼電器）。此外，在制造第一批電動(dòng)汽車(chē)時(shí)，使用了機(jī)械和光電繼電器，因?yàn)檫@是可用的。TI 表示，憑借其全新的純固態(tài)繼電器產(chǎn)品，它能夠提供比機(jī)械繼電器更長(zhǎng)的工作壽命，同時(shí)提供更高的隔離能力。

TI 今天發(fā)布的兩款固態(tài)繼電器是TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1。TPSI3050-Q1 隔離開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器集成了 10 V 柵極電源，TPSI2140-Q1 是 1,400 V、50 mA 隔離開(kāi)關(guān)。這兩款器件都提供跨單個(gè)屏障的集成電源和信號(hào)隔離。

TPSI3050-Q1 提供高達(dá) 5 kV RMS 的增強(qiáng)隔離，同時(shí)還提供比機(jī)電繼電器高 10 倍的工作壽命，機(jī)電繼電器會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。此外，TPSI2140-Q1 提供高達(dá) 3.75 kV RMS的基本隔離，使其能夠?qū)崿F(xiàn)比固態(tài)光繼電器高四倍以上的時(shí)間相關(guān)介電擊穿可靠性。

據(jù) TI 介紹，TPSI3050-Q1 集成了隔離電源、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動(dòng)器的功能。TI 聲稱(chēng)，與機(jī)械繼電器解決方案相比，這可將解決方案尺寸減小多達(dá) 90%。同時(shí)，與傳統(tǒng)固態(tài)光繼電器相比，TPSI2140-Q1 可將解決方案尺寸縮小多達(dá) 50%。它通過(guò)嵌入信號(hào)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 和電阻器并消除對(duì)簧片繼電器的需要來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這些器件是 TI 全新固態(tài)繼電器產(chǎn)品組合中的第一款，該產(chǎn)品還將包括專(zhuān)為高壓工業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)的 IC。除此消息外，TI 還發(fā)布了一篇解釋固態(tài)繼電器優(yōu)勢(shì)的技術(shù)文章。

片上隔離柵

這兩個(gè)固態(tài)繼電器 IC 本質(zhì)上是具有內(nèi)置于芯片中的隔離柵的電源開(kāi)關(guān)。芯片將高壓側(cè)和低壓側(cè)分開(kāi)?？刂菩盘?hào)來(lái)自微控制器或其他類(lèi)型的低壓域，并通過(guò)隔離柵來(lái)控制另一側(cè)的某種高壓路徑。TI 表示，屏障處的隔離技術(shù)是一種高度彈性的制造工藝。

這些設(shè)備的工作電壓實(shí)際上是 1400V，因此它們被指定在遠(yuǎn)高于 400V 和 800V EV 電池技術(shù)所需的電壓下工作，因?yàn)槲覀兛吹轿磥?lái)會(huì)進(jìn)一步超過(guò) 800V。

速度是新型固態(tài)繼電器的另一個(gè)關(guān)鍵方面。TI 認(rèn)為，新型固態(tài)繼電器可以通過(guò)單個(gè)隔離柵斷開(kāi)和連接負(fù)載，速度比機(jī)電繼電器快得多。

機(jī)械繼電器的開(kāi)啟和關(guān)閉通常需要幾十到幾百毫秒，但在固態(tài)繼電器的情況下，它是數(shù)百微秒。

固態(tài)繼電器可以提供關(guān)鍵的隔離功能，使人類(lèi)免受傷害。他們可以防止問(wèn)題發(fā)生，但如果發(fā)生了，也可以立即處理。為了說(shuō)明提速的重要性，使用了一個(gè)典型的 EV 功能示例：安全切斷。

電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行“隔離檢查”功能，該功能在汽車(chē)啟動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中都在后臺(tái)運(yùn)行——檢查以確保 400 V 電池與底盤(pán)隔離，這樣，如果有人打開(kāi)引擎蓋并觸摸底盤(pán)，他們不會(huì)觸電。

TI負(fù)責(zé)人解釋說(shuō)，TI 的固態(tài)繼電器可用于其開(kāi)關(guān)機(jī)制，以檢查隔離柵是否正常工作。

更多隔離產(chǎn)品

除了兩款新的固態(tài)繼電器 IC，TI 還宣布了其他新產(chǎn)品作為其隔離產(chǎn)品組合的一部分。其中包括UCC14240-Q1，這是一款隔離式 DC/DC 偏置電源模塊，旨在提高 EV 行駛里程。

另一個(gè)新產(chǎn)品是AMC23C12，TI 聲稱(chēng)它是“業(yè)界首個(gè)”增強(qiáng)型隔離比較器?？傮w而言，AMC23C12 將標(biāo)準(zhǔn)比較器的功能與電流隔離柵結(jié)合在一起，并在不到 400 ns 的時(shí)間內(nèi)提供隔離式雙向過(guò)流和過(guò)壓檢測(cè)。

TPSI3050Q1EVM（如圖所示）和 TPSI2140Q1EVM 評(píng)估板分別可用于 TPSI3050-Q1 和 TPSI2140-Q

隨著 EV 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員計(jì)劃從 400 V 電池過(guò)渡到 800 V 電池，需要考慮新的技術(shù)選擇。這些來(lái)自 TI 的新型隔離產(chǎn)品解決了未來(lái)的許多挑戰(zhàn)，并促進(jìn)了從機(jī)械繼電器向固態(tài)替代品的轉(zhuǎn)變。

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