eng
Выпуск #4/2010
Kенджи Ямамото, Анди Поу.
Гибридные электромобили. Изолированный усилитель для измерения напряжения
Гибридные электромобили. Изолированный усилитель для измерения напряжения
Просмотры: 7768
Создание гибридных электромобилей привело к появлению их электронной системе высоковольтных электронных модулей. Напряжение аккумуляторной батареи в гибридном автомобиле превышает 150 В. Для питания инвертора, управляющего электродвигателем, это напряжение необходимо повысить до более высокого значения. А это требует точных средств измерения напряжения, выполняемых, как правило, на высоковольтных МОП-транзисторах с хорошей гальванической развязкой и малыми шумами. Сегодня для решения этих задач в схемах управления затвором МОП полевых транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) широко используется оптронная развязка. В таких схемах можно применять изолированный усилитель ACPL-782T компании Avago Technologies, входящий в серию компонентов с оптронной развязкой R2Coupler. Оптрон обеспечивает безопасную гальваническую развязку, отличное подавление синфазной помехи и высокую точность измерения аналогового сигнала. И все это в компактном корпусе типа DIP размером 7,6 мм.
Поскольку в системах транспортных средств присутствуют высокие напряжения и большие токи, используемые в них компоненты должны обеспечивать надежную гальваническую развязку и высокое подавление электрических шумов (рис.1). Для решения этих задач автомобилестроители уже давно отдали предпочтение полупроводниковым компонентам с оптической развязкой. Это объясняется следующими достоинствами оптронов:
высоким напряжением гальванической развязки, что гарантирует безопасность и защиту системы и позволяет выдерживать выбросы напряжения со среднеквадратическим значением до 5 кВ в течение 1 мин или пиковые рабочие напряжения до 1,414 кВ (среднеквадратическое значение или постоянное напряжение 1 кВ) в зависимости от типа используемого драйвера затвора;
высокой степенью подавления синфазной помехи при высоких значениях напряжения синфазного режима (VCM) – до 40 кВ/мкс при VCM = 1,5 кВ;
наличием различных типов корпусов оптронов, физические размеры которых определяют значения напряжения изоляции в соответствии со стандартами безопасности;
возможностью работать в широком диапазоне скоростей;
малым энергопотреблением;
высокой надежностью и большим временем наработки на отказ;
малыми габаритами (корпуса типа DIP, SO-16, SO-8);
простотой применения и потребностью в небольшом числе внешних компонентов;
относительно низкой стоимостью.
Перечисленные достоинства стимулируют применение драйверов затворов с оптической развязкой в схемах регулировки скорости вращения двигателя и способствуют существенной экономии энергопотребления и затрат. Потребляемая двигателем мощность пропорциональна кубу его скорости вращения. Поэтому чем точнее управлять скоростью, тем эффективнее можно контролировать энергопотребление системы на протяжении ее срока службы. При выборе конкретного драйвера затвора с оптической развязкой для питания инвертора необходимо учитывать следующие параметры:
мощность, рассеиваемую на выходе драйвера;
пиковый ток переключения транзистора;
мощность, которая поступает на затвор транзистора;
заряд затвора Qg;
сопротивление резистора затвора;
габариты драйвера затвора.
Рассмотрим, как эти вопросы решены в оптически развязанном усилителе ACPL-782T. Этот оптрон входит в семейство приборов с оптронной развязкой R2Coupler компании Avago Technologies и отвечает требованиям повышенной надежности и долговечности. Высокую развязку приборов семейства R2Coupler обеспечивает конструкция с толстой трехслойной изолирующей пленкой. Значения пикового рабочего напряжения 891 В и максимального выброса напряжения в переходном режиме 6000 В оптрона ACPL-782T соответствуют требованиям к гальванической развязке для автомобильных систем.
Изоляция аналогового сигнала
Большой ток, требуемый для переключения инвертора, управляющего электроприводом автомобиля, вызывает в электрической системе машины высоковольтные, быстрые переходные процессы. Это серьезно затрудняет управление процессором, а также функционирование многочисленных аналоговых датчиков в среде с высоким уровнем помех, большими синфазными напряжениями и токами заземляющего контура.
Изолированный усилитель ACPL-782T имеет Σ-∆-архитектуру, которая преобразует дифференциальный аналоговый входной сигнал в цифровые импульсы, оптически передаваемые через изолирующий барьер. Емкость входа-выхода усилителя CI-O чрезвычайно мала, что обеспечивает большой коэффициент подавления синфазного напряжения и гарантирует оптическую передачу всех цифровых импульсов без пропущенных бит. Оптические сигналы принимает фотодетектор и преобразует их в дифференциальный аналоговый сигнал.
Как обеспечить высокую точность управления?
Диапазон входного напряжения оптически изолированного усилителя ACPL-782T составляет ±200 мВ. Если значение напряжения аккумуляторной батареи или шины питания инвертора превышает 200 В, резисторная цепь, образуемая резисторами RA и RB (рис.2), ступенчато уменьшает напряжение более чем в 1000 раз с тем, чтобы оно соответствовало диапазону входного напряжения усилителя. Если сопротивление резистора RA много больше сопротивления RB (RA / RA + RB=0,999), погрешность регулировки уровня напряжения зависит не от значений их сопротивления, а от их разброса (т.е. от "точности" исполнения резистора). Так, при разбросе значений сопротивления резисторов 0,1% погрешность резисторного делителя равна ~1% (рис.3).
Отклонение коэффициента усиления от идеального значения составляет 2%, сдвиг уровня входного напряжения при полном его размахе – 1%. Если требуется большая точность, эти значения можно отрегулировать путем калибровки. Отклонение коэффициента усиления, дрейф напряжения смещения и нелинейные искажения в пределах температурного диапазона класса 1 для автомобилей не превышают 1% и не могут быть устранены калибровкой.
Благодаря Σ-∆-архитектуре помехи усилителя сдвинуты в область частот, значительно превышающих их рабочий диапазон. Тем самым достигается согласование полосы пропускания и отношения сигнал-шум. Высокочастотный шум и сигнал в неустановившемся режиме легко отфильтровываются, и оставшаяся полоса пропускания достаточна для аналоговых сигналов более низкой частоты. В усилителе дистанционного измерения напряжения, показанном на рис.4, резистор с сопротивлением 10 кОм и конденсатор емкостью 150 пФ образуют фильтр нижних частот первого порядка, который снижает высокочастотный шум изолированного усилителя ACPL-782T. Характеристики фильтра можно скорректировать в соответствии с требуемой конкретной полосой пропускания. Чем уже полоса пропускания фильтра, тем лучше отношение сигнал-шум (см. таблицу).
Какие еще факторы необходимо учитывать при выборе системы инвертора?
Практически, микропроцессор располагается в экранированном модуле вдали от электродвигателя. Диапазон входного напряжения усилителя невелик, и для снижения шума на его входе желательно располагать изолированный усилитель автомобильной системы вблизи шины контролируемого напряжения. Установленное усиление ACPL-782T равно восьми. Это значит, что шум со стороны выхода меньше влияет на работу системы, чем входной шум такой же амплитуды.
Дифференциальный выход усилителя позволяет передавать процессору измеренное напряжение через витую пару. Для обеспечения высокой точности данных, считываемых процессором, выходной сигнал поступает на терминал с высоким импедансом, а затем на аналоговый фильтр первого порядка.
Измерение напряжения элемента аккумуляторной батареи
Помимо определения напряжения модуля инвертора, выполняются и многочисленные режимы измерения напряжения аккумуляторной батареи. Усилитель ACPL-782T обеспечивает как защиту, так и регулировку уровня самых разнообразных аккумуляторных батарей – от системы никель-металл-гидридных батарей с набором элементов напряжением ~13 В до литий-ионных батарей с элементами напряжением ~3,6 В.
Контроль напряжения полного набора аккумулятора и выходное напряжение, подаваемое на повышающий преобразователь, выполняется с тем же шагом, что и для инвертора.
Выводы
Благодаря исполнению по технологии R2Coupler усилитель ACPL-782T характеризуется улучшенной изоляцией и высокой надежностью. Входной-выходной конденсатор малой емкости усилителя с оптронной развязкой обеспечивает чрезвычайно высокое подавление синфазного сигнала. Высокая точность Σ-∆-архитектуры позволяет применять усилитель в системах измерения напряжения разнообразных моделей автомобилей. При этом поддерживается хорошее соотношение между полосой пропускания и отношением сигнал-шум.
VII Международная научно-техническая конференция "Силовые трансформаторы и системы диагностики"
Конференция, организованная Международной Ассоциацией ТРАВЭК (трансформаторов, высоковольтной аппаратуры, электротехнической керамики и других комплектующих изделий и материалов) при поддержке Академии наук РФ, Академии электротехнических наук РФ, Российского национального комитета СИГРЭ, Министерства промышленности и торговли РФ, Министерства энергетики РФ прошла в Москве 22–23 июня 2010 года.
В работе конференции приняли участие более 130 специалистов НИИ, производственных предприятий и компаний России, Украины, Республики Беларусь, Германии, Чехии, Турции, Австрии, Швейцарии, Болгарии, Нидерландов, Швеции, Китая, США (всего 68 фирм). На конференции также присутствовали представители всех ведущих производителей трансформаторного оборудования и потребителей: ОАО "ФСК ЕЭС", ОАО "Холдинг МРСК", ОАО "РусГидро", "Магистральные электрические сети Центра", МЭС Сибири, ОАО "Электрозавод".
В ходе конференции участники обсудили проблемы исследования и разработки в области создания новых видов трансформаторного и реакторного оборудования, перспективы развития силовых распределительных трансформаторов и реакторов, новые комплектующие и изоляционные материалы, состояние и перспективы производства электротехнической стали, технологическое оборудование для производства трансформаторов и реакторов и многие другие актуальные для развития российской энергетики вопросы.
Председатель Комиссии Совета Федерации Федерального собрания РФ по естественным монополиям Николай Иванович Рыжков в приветственном слове к участникам конференции отметил: "За прошедшие десятилетия существенно изменились конструкции электротехнических изделий, технические возможности производителей, формы собственности, нормативная база и структура управления электроэнергетическим комплексом. Для снижения аварийности и оптимизации экономических затрат на обслуживание электротехнического оборудования необходим переход к качественно новой системе оценки и прогнозирования технического состояния электротехнического оборудования".
Генеральный директор Холдинговой компании "Электрозавод" Леонид Владимирович Макаревич в своем обращении к участникам конференции подчеркнул: "Проводимая Международной Ассоциацией ТРАВЭК научно-техническая конференция "Силовые трансформаторы и системы диагностики" придаст новый импульс развитию электроэнергетики нашей страны, позволит поделиться опытом ведущих отечественных и зарубежных компаний в производстве и обслуживании современного трансформаторного оборудования, необходимого для создания в России мощной, надежной и долговечной интеллектуальной электрической сети".
Участники конференции отметили актуальность обмена информацией по вопросам разработки трансформаторного и реакторного оборудования, а также актуальность работ по созданию энергоэффективного трансформаторного и реакторного оборудования, в том числе обеспечивающего полную управляемость ЭЭС. В связи с этим в решении было записано:
Продолжать исследования и разработки по совершенствованию систем мониторинга и диагностики трансформаторного и реакторного оборудования и их комплектующих изделий с целью создания "интеллектуального" трансформатора и перехода с системы плановых ремонтов к ремонтам по состоянию.
Рекомендовать заводам-изготовителям совместно с заказчиками (ОАО "ФСК ЕЭС", ОАО "Холдинг МРСК" и др.) проработать вопрос о возможности сервисного обслуживания трансформаторного и реакторного оборудования силами сервисных служб заводов-изготовителей.
Считать целесообразным разработку комплексных систем мониторинга и диагностики высоковольтного электротехнического оборудования с использованием унифицированной элементной базы.
По итогам конференции было рекомендовано ОАО "ФСК ЕЭС" включить в план работ НИОКР на 2010–2012 годы проекты по совершенствованию и разработке национальных стандартов для трансформаторного и реакторного оборудования и их комплектующих, в том числе высоковольтных вводов с RIP-изоляцией.
На конференции обсуждался также вопрос о необходимости сооружения на территории России комплексного высоковольтного испытательного центра, на базе которого будут проводиться полномасштабные типовые испытания коммутационной аппаратуры и испытания на электродинамическую стойкость трансформаторного и реакторного оборудования.
высоким напряжением гальванической развязки, что гарантирует безопасность и защиту системы и позволяет выдерживать выбросы напряжения со среднеквадратическим значением до 5 кВ в течение 1 мин или пиковые рабочие напряжения до 1,414 кВ (среднеквадратическое значение или постоянное напряжение 1 кВ) в зависимости от типа используемого драйвера затвора;
высокой степенью подавления синфазной помехи при высоких значениях напряжения синфазного режима (VCM) – до 40 кВ/мкс при VCM = 1,5 кВ;
наличием различных типов корпусов оптронов, физические размеры которых определяют значения напряжения изоляции в соответствии со стандартами безопасности;
возможностью работать в широком диапазоне скоростей;
малым энергопотреблением;
высокой надежностью и большим временем наработки на отказ;
малыми габаритами (корпуса типа DIP, SO-16, SO-8);
простотой применения и потребностью в небольшом числе внешних компонентов;
относительно низкой стоимостью.
Перечисленные достоинства стимулируют применение драйверов затворов с оптической развязкой в схемах регулировки скорости вращения двигателя и способствуют существенной экономии энергопотребления и затрат. Потребляемая двигателем мощность пропорциональна кубу его скорости вращения. Поэтому чем точнее управлять скоростью, тем эффективнее можно контролировать энергопотребление системы на протяжении ее срока службы. При выборе конкретного драйвера затвора с оптической развязкой для питания инвертора необходимо учитывать следующие параметры:
мощность, рассеиваемую на выходе драйвера;
пиковый ток переключения транзистора;
мощность, которая поступает на затвор транзистора;
заряд затвора Qg;
сопротивление резистора затвора;
габариты драйвера затвора.
Рассмотрим, как эти вопросы решены в оптически развязанном усилителе ACPL-782T. Этот оптрон входит в семейство приборов с оптронной развязкой R2Coupler компании Avago Technologies и отвечает требованиям повышенной надежности и долговечности. Высокую развязку приборов семейства R2Coupler обеспечивает конструкция с толстой трехслойной изолирующей пленкой. Значения пикового рабочего напряжения 891 В и максимального выброса напряжения в переходном режиме 6000 В оптрона ACPL-782T соответствуют требованиям к гальванической развязке для автомобильных систем.
Рис.1. Система управления электроприводом гибридного электромобиля
Изоляция аналогового сигнала
Большой ток, требуемый для переключения инвертора, управляющего электроприводом автомобиля, вызывает в электрической системе машины высоковольтные, быстрые переходные процессы. Это серьезно затрудняет управление процессором, а также функционирование многочисленных аналоговых датчиков в среде с высоким уровнем помех, большими синфазными напряжениями и токами заземляющего контура.
Изолированный усилитель ACPL-782T имеет Σ-∆-архитектуру, которая преобразует дифференциальный аналоговый входной сигнал в цифровые импульсы, оптически передаваемые через изолирующий барьер. Емкость входа-выхода усилителя CI-O чрезвычайно мала, что обеспечивает большой коэффициент подавления синфазного напряжения и гарантирует оптическую передачу всех цифровых импульсов без пропущенных бит. Оптические сигналы принимает фотодетектор и преобразует их в дифференциальный аналоговый сигнал.
Как обеспечить высокую точность управления?
Диапазон входного напряжения оптически изолированного усилителя ACPL-782T составляет ±200 мВ. Если значение напряжения аккумуляторной батареи или шины питания инвертора превышает 200 В, резисторная цепь, образуемая резисторами RA и RB (рис.2), ступенчато уменьшает напряжение более чем в 1000 раз с тем, чтобы оно соответствовало диапазону входного напряжения усилителя. Если сопротивление резистора RA много больше сопротивления RB (RA / RA + RB=0,999), погрешность регулировки уровня напряжения зависит не от значений их сопротивления, а от их разброса (т.е. от "точности" исполнения резистора). Так, при разбросе значений сопротивления резисторов 0,1% погрешность резисторного делителя равна ~1% (рис.3).
Рис.2. Пошаговое уменьшение высокого напряжения питающей шины до уровня входного напряжения усилителя ACPL-782T
Рис.3. Погрешность делителя, построенного на резисторах разбросом сопротивления 0,5% и 1%
Отклонение коэффициента усиления от идеального значения составляет 2%, сдвиг уровня входного напряжения при полном его размахе – 1%. Если требуется большая точность, эти значения можно отрегулировать путем калибровки. Отклонение коэффициента усиления, дрейф напряжения смещения и нелинейные искажения в пределах температурного диапазона класса 1 для автомобилей не превышают 1% и не могут быть устранены калибровкой.
Благодаря Σ-∆-архитектуре помехи усилителя сдвинуты в область частот, значительно превышающих их рабочий диапазон. Тем самым достигается согласование полосы пропускания и отношения сигнал-шум. Высокочастотный шум и сигнал в неустановившемся режиме легко отфильтровываются, и оставшаяся полоса пропускания достаточна для аналоговых сигналов более низкой частоты. В усилителе дистанционного измерения напряжения, показанном на рис.4, резистор с сопротивлением 10 кОм и конденсатор емкостью 150 пФ образуют фильтр нижних частот первого порядка, который снижает высокочастотный шум изолированного усилителя ACPL-782T. Характеристики фильтра можно скорректировать в соответствии с требуемой конкретной полосой пропускания. Чем уже полоса пропускания фильтра, тем лучше отношение сигнал-шум (см. таблицу).
Какие еще факторы необходимо учитывать при выборе системы инвертора?
Практически, микропроцессор располагается в экранированном модуле вдали от электродвигателя. Диапазон входного напряжения усилителя невелик, и для снижения шума на его входе желательно располагать изолированный усилитель автомобильной системы вблизи шины контролируемого напряжения. Установленное усиление ACPL-782T равно восьми. Это значит, что шум со стороны выхода меньше влияет на работу системы, чем входной шум такой же амплитуды.
Дифференциальный выход усилителя позволяет передавать процессору измеренное напряжение через витую пару. Для обеспечения высокой точности данных, считываемых процессором, выходной сигнал поступает на терминал с высоким импедансом, а затем на аналоговый фильтр первого порядка.
Измерение напряжения элемента аккумуляторной батареи
Помимо определения напряжения модуля инвертора, выполняются и многочисленные режимы измерения напряжения аккумуляторной батареи. Усилитель ACPL-782T обеспечивает как защиту, так и регулировку уровня самых разнообразных аккумуляторных батарей – от системы никель-металл-гидридных батарей с набором элементов напряжением ~13 В до литий-ионных батарей с элементами напряжением ~3,6 В.
Рис.4. Схема ACPL-782T для дистанционного измерения напряжения с аналоговым фильтром
Контроль напряжения полного набора аккумулятора и выходное напряжение, подаваемое на повышающий преобразователь, выполняется с тем же шагом, что и для инвертора.
Выводы
Благодаря исполнению по технологии R2Coupler усилитель ACPL-782T характеризуется улучшенной изоляцией и высокой надежностью. Входной-выходной конденсатор малой емкости усилителя с оптронной развязкой обеспечивает чрезвычайно высокое подавление синфазного сигнала. Высокая точность Σ-∆-архитектуры позволяет применять усилитель в системах измерения напряжения разнообразных моделей автомобилей. При этом поддерживается хорошее соотношение между полосой пропускания и отношением сигнал-шум.
VII Международная научно-техническая конференция "Силовые трансформаторы и системы диагностики"
Конференция, организованная Международной Ассоциацией ТРАВЭК (трансформаторов, высоковольтной аппаратуры, электротехнической керамики и других комплектующих изделий и материалов) при поддержке Академии наук РФ, Академии электротехнических наук РФ, Российского национального комитета СИГРЭ, Министерства промышленности и торговли РФ, Министерства энергетики РФ прошла в Москве 22–23 июня 2010 года.
В работе конференции приняли участие более 130 специалистов НИИ, производственных предприятий и компаний России, Украины, Республики Беларусь, Германии, Чехии, Турции, Австрии, Швейцарии, Болгарии, Нидерландов, Швеции, Китая, США (всего 68 фирм). На конференции также присутствовали представители всех ведущих производителей трансформаторного оборудования и потребителей: ОАО "ФСК ЕЭС", ОАО "Холдинг МРСК", ОАО "РусГидро", "Магистральные электрические сети Центра", МЭС Сибири, ОАО "Электрозавод".
В ходе конференции участники обсудили проблемы исследования и разработки в области создания новых видов трансформаторного и реакторного оборудования, перспективы развития силовых распределительных трансформаторов и реакторов, новые комплектующие и изоляционные материалы, состояние и перспективы производства электротехнической стали, технологическое оборудование для производства трансформаторов и реакторов и многие другие актуальные для развития российской энергетики вопросы.
Председатель Комиссии Совета Федерации Федерального собрания РФ по естественным монополиям Николай Иванович Рыжков в приветственном слове к участникам конференции отметил: "За прошедшие десятилетия существенно изменились конструкции электротехнических изделий, технические возможности производителей, формы собственности, нормативная база и структура управления электроэнергетическим комплексом. Для снижения аварийности и оптимизации экономических затрат на обслуживание электротехнического оборудования необходим переход к качественно новой системе оценки и прогнозирования технического состояния электротехнического оборудования".
Генеральный директор Холдинговой компании "Электрозавод" Леонид Владимирович Макаревич в своем обращении к участникам конференции подчеркнул: "Проводимая Международной Ассоциацией ТРАВЭК научно-техническая конференция "Силовые трансформаторы и системы диагностики" придаст новый импульс развитию электроэнергетики нашей страны, позволит поделиться опытом ведущих отечественных и зарубежных компаний в производстве и обслуживании современного трансформаторного оборудования, необходимого для создания в России мощной, надежной и долговечной интеллектуальной электрической сети".
Участники конференции отметили актуальность обмена информацией по вопросам разработки трансформаторного и реакторного оборудования, а также актуальность работ по созданию энергоэффективного трансформаторного и реакторного оборудования, в том числе обеспечивающего полную управляемость ЭЭС. В связи с этим в решении было записано:
Продолжать исследования и разработки по совершенствованию систем мониторинга и диагностики трансформаторного и реакторного оборудования и их комплектующих изделий с целью создания "интеллектуального" трансформатора и перехода с системы плановых ремонтов к ремонтам по состоянию.
Рекомендовать заводам-изготовителям совместно с заказчиками (ОАО "ФСК ЕЭС", ОАО "Холдинг МРСК" и др.) проработать вопрос о возможности сервисного обслуживания трансформаторного и реакторного оборудования силами сервисных служб заводов-изготовителей.
Считать целесообразным разработку комплексных систем мониторинга и диагностики высоковольтного электротехнического оборудования с использованием унифицированной элементной базы.
По итогам конференции было рекомендовано ОАО "ФСК ЕЭС" включить в план работ НИОКР на 2010–2012 годы проекты по совершенствованию и разработке национальных стандартов для трансформаторного и реакторного оборудования и их комплектующих, в том числе высоковольтных вводов с RIP-изоляцией.
На конференции обсуждался также вопрос о необходимости сооружения на территории России комплексного высоковольтного испытательного центра, на базе которого будут проводиться полномасштабные типовые испытания коммутационной аппаратуры и испытания на электродинамическую стойкость трансформаторного и реакторного оборудования.
Отзывы читателей
