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ZHCAEB9 August 2024 TPSI2140-Q1

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引言

当机械继电器承受高浪涌电流和电压时，可能产生电弧，进而引起继电器触点熔化并粘结在一起，这时便会发生继电器焊接。为了保持系统的安全性和可靠性，有效检测继电器焊接至关重要。在许多采用高电压的交流与直流应用领域中，例如电动汽车 (EV)，焊接问题屡见不鲜。

EV 领域采用高压接触器来给车辆充电，因此电路中产生的电弧可能导致机械继电器发生焊接。与机械继电器不同，固态继电器 (SSR) 没有活动部件，因此非常适合用于诊断焊接检测。本应用简报以 EV BMS 为例，讨论了如何实施 SSR 来检测继电器焊接。有关 EV 充电器中焊接检测的详细信息，请参阅 L1 和 L2 电动汽车充电器的电动汽车服务设备设计注意事项。

焊接检测原理图

在 EV 架构中，隔离式开关可以与分压器配合使用，以检测继电器焊接和卡在开路状态的问题。图 1 展示了 TPSI2140-Q1 的 MCU 级实现原理图，这款汽车级隔离式开关可通过来自 MCU 的低压信号控制高压负载，并在两者之间提供隔离。

图 1 TPSI2140-Q1 隔离示例

一般情况下，为了检测焊接，必须在机械继电器之后测量电压。这样，可以根据测量的电压值确定继电器的物理完整性。然后，可以通过 MCU 以不同的组合断开或合上开关，测量机械继电器两端节点处的电压，并确定电路中是否存在继电器焊接或开路。

图 2 展示了如何实施 TPSI2140-Q1 来诊断 EV 主接触器中的继电器焊接闭合和卡在开路状态。开关闭合后，HV+ 和 HV- 之间会短暂产生电压差，以便能够进行电压测量。然后，可以将这些电压与机械继电器正常工作时的预期值进行比较，从而检测是否存在故障。如果在节点处进行的测量结果显示检测到焊接或开路，MCU 可以进行干预来保护系统。

图 2 继电器焊接检测原理图

隔离式开关需要以多种不同的组合闭合来创建不同的环路，从而以节点 B 作为参考接地来测量不同的节点。有关继电器功能诊断的真值表以及每种诊断的分压器公式，请参阅表 1。

表 1 继电器正常工作时的诊断表

诊断	SW1	SW2	SSR1	SSR2	预期电压值
SW1 焊接检查	-	-	闭合	闭合	$V_{A} = 0 V \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$
SW1 开路检查	闭合	-	闭合	闭合	$V_{A} = V_{PACK} \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$
SW2 焊接检查	闭合	-	闭合	闭合	$V_{A} = V_{PACK} \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$
SW2 开路检查	闭合	闭合	闭合	闭合	$V_{A} = 0 V \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$

设计说明

为 RDIV1 选择一个明显大于 RDIV2 的电阻值，以便创建一个合适的分压器，使得测得的电压值容易区分。
选择合适的电阻值，以确保计算得出的分压器值位于 ADC 满量程范围内。
测量电压时以节点 B 作为参考接地，因为其他节点可能处于悬空状态。

应用示例

选择 RDIV1 和 RDIV2 的值。可使用上表中的电压公式，反向计算所需的电阻值来选择合适的电阻值。
在这个电动汽车主接触器的应用示例中，假设使用 800V 电池和 3.3V MCU，因为这些是行业中的常见标准。选择的电阻值如下：
1. RDIV1 = 1MΩ
2. RDIV2 = 2kΩ
当继电器的物理完整性受到影响时，节点的电压值将会与正常运行条件下的值有所不同。我们将这些测量值与测试场景（焊接或开路）的预期值进行比较。如果检测到焊接或开路，MCU 会进行干预以保护系统。

表 2 显示了继电器物理完整性受到影响时的一些示例结果，箭头指示了焊接或开路对机械继电器的状态有何影响：

表 2 继电器物理完整性受损时的诊断表

诊断	SW1	SW2	SSR1	SSR2	预期电压值	物理完整性受损时的电压值
检测到 SW1 焊接	开路 ➜ 闭合	-	闭合	闭合	$V_{A} = 0 V$	$V_{A} = 1.6 V$
检测到 SW1 开路	闭合 ➜ 开路	-	闭合	闭合	$V_{A} = 1.6 V$	$V_{A} = 0 V$
检测到 SW2 焊接	闭合	开路 ➜ 闭合	闭合	闭合	$V_{A} = 1.6 V$	$V_{A} = 0 V$
检测到 SW2 开路	闭合	闭合 ➜ 开路	闭合	闭合	$V_{A} = 0 V$	$V_{A} = 1.6 V$

结语

如本应用简报所述，实施 SSR 来测量和比较电压是一种有效的焊接检测解决方案。焊接问题在高压交流和直流应用中都很常见，有效检测继电器焊接对于确保系统的安全性和可靠性至关重要。本应用简报中使用了我们的 TPSI2140-Q1，因为这款隔离式开关具有高开关周期、快速开关速度和高可靠性。有关隔离和 SSR 的更多信息，请参阅如何使用固态继电器实现更可靠的隔离和更小的解决方案尺寸 技术文章。