Autor: Rolf Horn – Applications Engineer, DigiKey Electronics
Los diseñadores de vehículos eléctricos (VE) y vehículos eléctricos híbridos (VEH) tienen que satisfacer la demanda de mayores prestaciones, recarga más rápida y mayor eficiencia. Una de las muchas funciones electrónicas que pueden ayudar a satisfacer estas demandas es la detección precisa del voltaje para un control óptimo de la potencia.
Sin embargo, las aplicaciones de automoción son especialmente difíciles. La electrónica de potencia debe funcionar con fiabilidad durante décadas a pesar de las temperaturas extremas y la presencia de tensiones elevadas que exigen un aislamiento adecuado. Los circuitos de detección de tensión para estas aplicaciones deben ofrecer un gran ancho de banda, un bajo nivel de error y deriva, y una alta inmunidad contra transitorios de modo común (CMTI), además de cumplir normas de automoción como la AEC-Q100. Estos requisitos son especialmente importantes para los componentes críticos de los VE y los VEH, como los inversores, los convertidores de CC/CC y los cargadores integrados.
Los amplificadores de aislamiento basados en transformadores son muy adecuados para estas aplicaciones. Estos dispositivos utilizan tecnología avanzada para lograr un rendimiento excelente durante décadas de exposición a condiciones duras.
Este artículo examina los principios de funcionamiento de los amplificadores de aislamiento. A continuación, presenta un ejemplo basado en un transformador que utiliza la tecnología iCoupler de Analog Devices, repasa sus posibles aplicaciones en el desarrollo de EV/HEV y presenta una placa de evaluación para ayudar a iniciar el proceso de diseño.
Principios de funcionamiento de los amplificadores de aislamiento basados en transformadores
Los amplificadores de aislamiento son amplificadores diferenciales especializados que proporcionan aislamiento eléctrico entre los circuitos de entrada y salida. Este aislamiento puede conseguirse por varios medios, pero los amplificadores de aislamiento basados en transformadores como el ADuM3195 (Figura 1) ofrecen ventajas únicas para aplicaciones EV/HEV.
Figura 1: El amplificador de aislamiento ADuM3195 utiliza aislamiento basado en transformador. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
En los diseños basados en transformadores, el aislamiento se consigue mediante el acoplamiento de transformadores. El principio básico de funcionamiento implica los siguientes pasos:
- La señal de entrada se convierte en una señal portadora de alta frecuencia.
- A continuación, esta señal portadora se transmite a través de la barrera de aislamiento mediante un transformador.
- En el secundario del transformador, la señal original se reconstruye a partir de la portadora.
El transformador cumple dos funciones fundamentales. Proporciona aislamiento galvánico entre los circuitos de entrada y salida, lo que permite la medición segura de altas tensiones y protege los circuitos sensibles. También permite la transferencia de señales sin una conexión eléctrica directa a través de la barrera de aislamiento.
El aislamiento basado en transformadores ofrece importantes ventajas para las aplicaciones de detección de voltaje. Estos amplificadores rechazan eficazmente los voltajes en modo común, algo crucial en entornos eléctricos ruidosos. Además, los diseños modernos consiguen anchos de banda amplios adecuados para muchas aplicaciones de electrónica de potencia.
Ventajas de rendimiento de los microtransformadores planares para amplificadores de aislamiento
La tecnología iCoupler, desarrollada por Analog Devices, representa un avance en el diseño de amplificadores de aislamiento. Los dispositivos iCoupler incorporan microtransformadores planares con un diámetro típico de aproximadamente 0.5 milímetros (mm), lo que permite soluciones notablemente compactas. Su pequeño tamaño también le confiere una resistencia inherente a los campos magnéticos externos, lo que aumenta su fiabilidad.
Una capa aislante de poliimida es fundamental para el rendimiento de iCoupler (figura 2). Este aislamiento proporciona una gran estabilidad térmica y mecánica, lo que hace que el dispositivo sea excepcionalmente duradero. Puede soportar sobretensiones superiores a 10 kilovoltios (kV) y ofrece fiabilidad a largo plazo cuando funciona de forma continua a 400 V cuadráticos medios (VRMS).
Figura 2: Una capa aislante de poliimida, de gran estabilidad térmica y mecánica, es fundamental para el rendimiento de iCoupler. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
Una característica esencial de la tecnología iCoupler es su capacidad para funcionar a altas frecuencias, admitiendo transferencias de datos de hasta 150 megabits por segundo (Mbits/s). Esto se consigue en parte gracias a una metodología de codificación de señales muy eficaz. Los datos se codifican en impulsos de 1 nanosegundo (ns) que permiten una rápida transferencia de datos y un bajo consumo de energía, normalmente inferior a 1 miliamperio (mA) por canal (Figura 3).
Figura 3: Un método de codificación muy eficaz permite a los dispositivos iCoupler transferir datos a 150 Mbits/s y consumir normalmente menos de 1 mA por canal. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
Además, los dispositivos iCoupler incorporan filtros de fallo de entrada para reducir el ruido y garantizar una transmisión limpia de la señal, mejorando el rendimiento en entornos de automoción electromagnéticamente ruidosos.
Características principales de los amplificadores de aislamiento para automoción
La tecnología iCoupler se ha implementado en varios dispositivos, incluido el amplificador de aislamiento ADuM3195WBRQZ. Esta versión del ADuM3195 que cumple la norma AEC-Q100 está diseñada específicamente para entornos de automoción. Tiene una tensión de aislamiento de 3000 VRMS, una tensión de offset de salida de ±6 milivoltios (mV) (máx.) a 25 °C, un error de ganancia de ±0.5% (máx.), un ancho de banda de 210 kilohercios (kHz), una desviación de ganancia de ±27 partes por millón por °C (ppm/°C) (máx.), y una desviación de ganancia de -22 microvoltios por °C (μV/°C) (típica). El dispositivo tiene un CMTI de 150 kV por microsegundo (kV/µs) (típico), un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a 125 °C, ajustes de ganancia configurables y se presenta en un QSOP de 16 terminales.
Estas características hacen que el ADuM3195WBRQZ sea adecuado para mediciones precisas y aisladas de voltaje en aplicaciones de automoción exigentes, incluyendo:
- Monitoreo de voltaje en sistemas de gestión de batería (BMS)
- Bucles de realimentación en fuentes de alimentación
- Inversores y sistemas de accionamiento de motores
La gran precisión, el amplio ancho de banda, el bajo consumo y las sólidas capacidades de aislamiento hacen del ADuM3195WBRQZ una solución especialmente eficaz para la detección de tensión en sistemas EV/HEV.
Requisitos del amplificador de aislamiento para inversores, convertidores de CC/CC y cargadores integrados
El amplificador de aislamiento ADuM3195WBRQZ aborda los retos críticos de los sistemas de alimentación de EV/HEV, incluidos inversores, convertidores de CC/CC y cargadores integrados.
Su ancho de banda de 210 kHz permite tiempos de respuesta inferiores a 5 μs, cruciales para una carga eficiente, un control preciso del inversor y una ondulación de tensión minimizada en convertidores de CC/CC. Este gran ancho de banda también permite utilizar componentes pasivos más pequeños y admite la integración de dispositivos de banda ancha, lo que mejora la eficiencia general del sistema y la densidad de potencia.
La entrada de alta impedancia del ADuM3195WBRQZ minimiza la pérdida de potencia relacionada con la medición y estabiliza las operaciones del convertidor y del inversor. La reducción del consumo de corriente también disminuye la tensión en los circuitos auxiliares, mejorando la fiabilidad del sistema.
La alta tolerancia a la temperatura del ADuM3195WBRQZ permite colocarlo cerca de componentes que generan calor, como motores eléctricos, cargadores integrados y sistemas de frenado regenerativo, para ayudar a prevenir el desbordamiento térmico, gestionar los ciclos térmicos y evitar los puntos de acceso en la electrónica integrada.
Para convertidores de CC/CC que manejan varias tensiones de salida, el bajo error de desviación y la baja retroalimentación de voltaje del ADuM3195WBRQZ garantizan una retroalimentación de voltaje precisa a través de las variaciones de temperatura. Esta precisión contribuye a un control preciso, una ondulación reducida y un mejor rendimiento de la transmisión.
La tensión de aislamiento de 3000 VRMS del ADuM3195WBRQZ protege los componentes electrónicos de baja tensión y a los ocupantes de los sistemas de alta tensión (hasta 400 V). Proporciona un rechazo eficaz del ruido entre las etapas de potencia y los circuitos de control en los sistemas de baterías de vehículos eléctricos, a la vez que se interconecta con sistemas de bajo voltaje (12/48 V).
Al cumplir estos requisitos críticos, el ADuM3195WBRQZ mejora el rendimiento, la eficiencia y la seguridad de los sistemas de alimentación de EV/HEV.
Cabe destacar que el ADuM4195 está disponible para requisitos de sistemas de mayor tensión, proporcionando una tensión de aislamiento de hasta 5000 VRMS y una protección de la electrónica de baja tensión de hasta 800 V.
Ponga en marcha el desarrollo de ADuM3195
La EVAL-ADuM3195EBZ (Figura 4) es una placa de evaluación compacta diseñada para probar y evaluar las características de rendimiento del amplificador de aislamiento ADuM3195. Se trata de una placa de control de tensión aislada que puede configurarse para mediciones de CC y CA. Esta placa está preconfigurada para manejar voltajes de entrada de hasta 1000 VCC (continuos).
Figura 4: La placa de evaluación EVAL-ADuM3195EBZ está diseñada para configurar y probar el ADuM3195. (Fuente de la imagen: Analog Devices, Inc.)
Las características de la placa de evaluación EVAL-ADuM3195EBZ pueden ayudar a impulsar el desarrollo de aplicaciones EV/HEV de varias maneras:
- Aislamiento y medición de alta tensión: La placa está diseñada para medir con seguridad altas tensiones CC de hasta 1000 V, lo que resulta especialmente relevante para los sistemas de baterías EV/HEV. Esto permite a los desarrolladores monitorizar los voltajes de los paquetes de baterías, medir los voltajes de las celdas individuales en un BMS e interactuar con líneas de bus de CC de alto voltaje.
- Rango de entrada configurable: El divisor de tensión de entrada puede ajustarse para adaptarse a diferentes rangos de tensión habituales en los sistemas EV/HEV. Por ejemplo, un bus de 400 VCC es típico en muchos EV, sistemas de 800 V en arquitecturas de EV más recientes, y rangos de voltaje más bajos para sistemas híbridos suaves de 48 V.
- Capacidad de medición de CA: Con pequeñas modificaciones, la placa puede medir voltajes de CA, lo que puede resultar útil para la supervisión de la salida del inversor del accionamiento del motor, las mediciones del sistema de carga de CA y el análisis de interferencias electromagnéticas (EMI)/ruido en líneas de alto voltaje.
- Opción de bajo consumo: Para un menor consumo de energía, la entrada de desactivación de alimentación (PDIS) puede desactivar la fuente de alimentación interna cuando es necesario utilizar la energía con criterio.
Conclusión
Los diseñadores de EV y HEV necesitan sensores de precisión en varios subsistemas para alcanzar sus objetivos de rendimiento y eficiencia. Un amplificador de aislamiento basado en un microtransformador, como el ADuM3195WBRQZ con certificación AEC-Q100, es idóneo para esta aplicación, ya que ofrece una combinación de rendimiento, miniaturización y longevidad que satisface los requisitos críticos de diseño. La placa de evaluación asociada a este amplificador de aislamiento ayuda a los diseñadores a ponerlo rápidamente en marcha.
