Spoločnosť Texas Instruments (TI) s cieľom zlepšiť technológiu izolácie v elektrických vozidlách uvádza na trh dva polovodičové reléové čipy, ktoré majú nahradiť tradičné mechanické relé v automobiloch.

S tým, ako sa začínajú rozširovať konštrukcie elektrických vozidiel, prechádza sa aj na batérie s napätím 400 V a 800 V. To prináša nové výzvy v oblasti bezpečnosti a zložitosti. S cieľom uspokojiť tieto potreby dnes spoločnosť Texas Instruments oznámila dva nové polovodičové reléové integrované obvody, ktoré sú navrhnuté tak, aby riešili prekážky v oblasti bezpečnosti a spoľahlivosti, ktorým čelia dnešní konštruktéri elektrických vozidiel.  

V tomto článku rozoberáme, prečo je izolácia v EV kritická, prečo polovodičové relé poskytujú atraktívny prístup, skúmame detaily nových reléových produktov a podelíme sa o postrehy z nášho rozhovoru s Priyou Thanigaiovou, manažérkou výkonových spínačov v spoločnosti Texas Instruments.

V  stávke sú otázky bezpečnosti elektrických vozidiel

Thanigai vysvetľuje, že automobil je v podstate najväčším príkladom rozhrania človek-stroj (HMI). Inými slovami, ide o najväčší druh zariadenia, ktorého sa človek každý deň dotýka, ovláda ho a pracuje s ním. V prípade elektrických vozidiel je to zo svojej podstaty nebezpečná situácia.

"Na jednej strane máte priemerného veľmi krehkého človeka - nie dobre vycvičeného, nie dobre vybaveného - a na druhej strane máte 800 V batériu. To má obrovské dôsledky na život a bezpečnosť,"

hovorí Priyoa Thanigai.

Vzhľadom na to všetko je izolácia napájania v elektrických vozidlách mimoriadne dôležitá, a to ešte viac, keď sa v odvetví elektrických vozidiel prechádza z batérií s napätím 400 V na batérie s napätím 800 V. Ako už bolo spomenuté, na riešenie týchto problémov dnes spoločnosť TI predstavila dvojicu polovodičových reléových integrovaných obvodov. Spoločnosť tvrdí, že tieto poskytujú najmenšiu veľkosť riešenia v odvetví a zmenšujú náklady na kusovník (BOM) pohonných jednotiek a systémov riadenia batérií (BMS) pre systémy na báze 800 V.

Od mechanických k polovodičovým relé

Automobilový priemysel má dlhú históriu používania mechanických relé na zabezpečenie izolácie. Používali sa aj polovodičové foto relé (relé na báze optoelektroniky). Okrem toho, keď sa vyrábali prvé elektrické vozidlá, používali sa mechanické a fotorelé, pretože to bolo k dispozícii. Spoločnosť TI tvrdí, že so svojimi novými čisto polovodičovými relé dokáže ponúknuť dlhšiu životnosť ako mechanické relé a zároveň vyššiu schopnosť izolácie.

Dve polovodičové relé, ktoré dnes spoločnosť TI uviedla na trh, sú TPSI3050-Q1 a TPSI2140-Q1. Izolovaný ovládač spínača TPSI3050-Q1 integruje 10 V napájanie hradla a TPSI2140-Q1 je izolovaný spínač s napätím 1 400 V, 50 mA. Obe zariadenia poskytujú integrovanú izoláciu napájania a signálu cez jednu bariéru.

TPSI3050-Q1 ponúka zosilnenú izoláciu až do 5 kV_RMS a zároveň poskytuje prevádzkovú životnosť, ktorá je 10-krát vyššia ako pri elektromechanických relé, ktoré môžu časom degradovať. Okrem toho TPSI2140-Q1 ponúka základnú izoláciu až do 3,75 kV_RMS, vďaka čomu dosahuje viac ako štyrikrát vyššiu spoľahlivosť v závislosti od času pri dielektrickom výboji ako polovodičové foto relé.

Podľa spoločnosti TI integruje TPSI3050-Q1 funkcie izolovaného napájacieho zdroja, digitálneho izolátora a ovládača hradiel. TI tvrdí, že sa tým zmenšuje veľkosť riešenia až o 90 % v porovnaní s mechanickými reléovými riešeniami. Medzitým TPSI2140-Q1 znižuje veľkosť riešenia až o 50 % v porovnaní s tradičnými polovodičovými foto relé. Dosahuje to zabudovaním signálneho tranzistora s poľom (FET) a rezistorov a odstránením potreby jazýčkového relé.

Tieto zariadenia sú prvými v novom portfóliu polovodičových relé od spoločnosti TI, ktoré bude zahŕňať aj integrované obvody určené pre vysokonapäťové priemyselné aplikácie. Spolu s touto novinkou spoločnosť TI vydala technický článok, v ktorom vysvetľuje výhody polovodičových relé.

Izolačná bariéra na čipe

Dve polovodičové relé IC sú v podstate výkonové spínače s izolačnou bariérou, ktorá je zabudovaná v čipoch. Čipy oddeľujú vysokonapäťovú a nízkonapäťovú stranu. Riadiace signály prichádzajú z mikrokontroléra - alebo iného druhu nízkonapäťovej oblasti - a prechádzajú cez izolačnú bariéru, aby ovládali nejakú vysokonapäťovú cestu na druhej strane. Technológia izolácie na bariére je výrobný proces, ktorý je veľmi odolný.

Nové polovodičové relé TI obsahujú izolačnú bariéru oddeľujúcu stranu nízkeho napätia od strany vysokého napätia. Obrázok spoločnosti Texas Instruments

"Pracovné napätie týchto zariadení je v skutočnosti 1 400 V, takže sú určené na prácu pri napätí oveľa vyššom, ako je potrebné pre technológie batérií pre elektromobily s napätím 400 V a 800 V, pretože vidíme, že v budúcnosti sa bude posúvať ďalej za 800 V," hovorí Priyoa Thanigai.

Ďalším kľúčovým aspektom nových polovodičových relé je rýchlosť. Spoločnosť TI verí, že nové polovodičové relé dokážu odpojiť a pripojiť záťaže cez jedinú izolačnú bariéru oveľa rýchlejšie ako elektromechanické relé.

"Zapnutie a vypnutie mechanických relé zvyčajne trvá desiatky až stovky milisekúnd," hovorí Thanigai. "V prípade polovodičových relé sú to však stovky mikrosekúnd."

Polovodičové relé môžu poskytovať kritické izolačné funkcie, ktoré chránia ľudí pred poškodením. Dokážu zabrániť vzniku problémov, ale aj okamžite ich riešiť, ak sa vyskytnú. Na ilustráciu významu zvýšenia rýchlosti Thanigai používa príklad typickej funkcie elektrického vozidla: bezpečnostné vypnutie.

V elektromobile beží funkcia "kontrola izolácie", ktorá beží na pozadí počas celého času, keď je vozidlo zapnuté - kontroluje, či je 400 V batéria izolovaná od podvozku, aby v prípade, že niekto otvorí kapotu a dotkne sa podvozku, nedostal úraz elektrickým prúdom.

Priyoa Thanigai vysvetľuje, že polovodičové relé TI možno použiť pre ich spínacie mechanizmy na kontrolu, či izolačná bariéra funguje.

"Dúfajme, že sa nikdy nič nestane. Ale ak sa niečo katastrofálne stane, chcete, aby bolo odpojenie napätia naozaj rýchle, naozaj rýchle a veľmi spoľahlivé. Vtedy prichádzajú na rad tieto polovodičové relé. Zabezpečujú tú prvú kontrolu, aby sa uistili, že medzi vysokonapäťovou batériou a v podstate ľudskou stranou, čo je v tomto prípade podvozok vozidla, nie je žiadne zemné spojenie."

Ďalšie izolačné produkty

Spolu s dvoma novými polovodičovými reléovými integrovanými obvodmi oznámila spoločnosť TI aj ďalšie nové produkty ako súčasť svojho portfólia izolácie. Patrí medzi ne UCC14240-Q1, izolovaný modul DC/DC s predpojatým napájaním zameraný na zlepšenie dojazdov elektrických vozidiel.

Ďalším novým produktom je AMC23C12, o ktorom TI tvrdí, že je to "prvý zosilnený izolovaný komparátor v odvetví". Celkovo AMC23C12 spája funkcie štandardných komparátorov s galvanickou izolačnou bariérou a poskytuje izolovanú obojsmernú detekciu nadprúdu a prepätia za menej ako 400 ns.

Pre TPSI3050Q1EVM (na obrázku) a TPSI2140Q1EVM sú k dispozícii hodnotiace dosky pre TPSI3050-Q1 a TPSI2140-Q. Obrázok spoločnosti Texas Instruments

TI uvádza, že TPSI3050-Q1 a TPSI2140-Q1 sú už k dispozícii v predvýrobnom množstve 1 000 kusov na stránke TI.com. K dispozícii sú aj hodnotiace dosky TPSI3050Q1EVM a TPSI2140Q1EVM pre tieto dva integrované obvody.

Keďže konštruktéri elektrických vozidiel plánujú prechod zo 400 V na 800 V batérie, je potrebné zvážiť nové technologické možnosti. Tieto nové izolačné produkty od spoločnosti TI riešia mnohé z budúcich výziev a uľahčujú prechod od mechanických relé k polovodičovým alternatívam.

Zdroj : Texas Instruments