ZHCU475B August 2022 – January 2023 OPA388-Q1
混合动力汽车或电动汽车系统中通常会在其中一个子系统内执行隔离泄漏测量。采用隔离测量技术难以也无法预测隔离破损位置。若要测量隔离漏电流,最有效的方法是使用已知的电阻打破整个系统的隔离。如果开关路径之间没有电流,那么就不存在并联路径,这表明系统是安全的且没有任何隔离破损。
设计人员必须了解故障类型,并准确计算隔离破损参数,例如位置(电压)和电阻,以对严重程度进行分类。隔离泄漏电阻提供了第二个路径上可能的漏电流大小信息,该电流可能导致驾驶员或乘客触电。若要对电路板执行完整诊断,请使用已知电阻路径在两处位置打破隔离。
图 2-6 是其中一个使用此参考设计进行隔离破损测量的示例。S1 和 S2 是用于开关测量路径的继电器。Rps1 和 Rps2 是正线上的高电阻路径中使用的电阻器,而 Rns1 和 Rns2 是负线上使用的电阻器。Rs1 和 Rs2 是用于隔离电流测量的串联电阻器。使用具有 VREF(偏置电源)的反相运算放大器配置进行测量。
正常情况下,当 S1 闭合时,没有漏电流进入电路,因为没有闭合路径。理想条件是在 Rps1 和 Rps2 处相对于机箱接地设置 VREF。当 S1 闭合时,ISO_POS 必须仍旧保持为 VREF 电压。在实际电路中,根据运算放大器类型、其输入差分电压和偏置电流,ISO_POS 电压测量中会出现偏差。只有 S2 闭合时,电路行为是相似的,如图 2-7 所示。
如图 2-8 所示,如果两个开关都闭合,来自高压电池的漏电流通过混合动力汽车或电动汽车的机箱接地流动。所选的电阻器 Rps1、Rps2、Rns1 和 Rns2 应确保机箱接地在最大电池电压下具有非常低的漏电流 (< 1mA)。
如 Equation6 所示,VREF 和电阻器是固定的。使用一个 16 位或 12 位模数转换器 (ADC) 来测量 ISO_POS,以便获得更出色的精度和分辨率。将测得的 ISO_POS 与设计中所用的已知高压电池电压和电阻器参数进行比较。必须具有准确的电压测量值才能完成系统计算。如果计算值超过系统的容差水平,则可将其视为系统中的隔离破损。为了最大限度地减少系统中的误差,务必要选择高精度金属电极无引线面 (MELF) 电阻器和具有低失调和偏置电流的运算放大器。设计人员可以测量运算放大器的失调电压并在系统中对其进行校准。校准运算放大器的输入偏置电流比较困难,并且这些电流会显著影响隔离漏电流的测量。
如Topic Link Label1 所述,系统中出现隔离破损的根本原因有多种。如果高压系统的正线上发生隔离破损,电路行为则会如图 2-9 所示。Riso 是从高压正线到机箱接地的隔离电阻,可低至 mΩ 至 MΩ。若要进行安全分析,设计人员必须先确定隔离破损的电阻和对应位置。只有 S1 闭合时,高压电池没有闭合路径。由于高压线路上的基准偏置电位,只有漏电流从低压系统流出。只有 S1 闭合时,由于基准电压较低 (< 5V) 而电阻相对较大 (Rps1 + Rps2 > 500kΩ),漏电流可以忽略不计。
只有 S2 闭合时,高压电池与 Rns1、Rns2、Riso 和 VREF 串联。根据电池电压、Rns1 和 Rns2,会有很大的漏电流从高压部分流到机箱接地。这是从高压部分到机箱接地的实际漏电流,该电流可在 ISO_NEG 处测得。
图 2-10 展示了 S1 和 S2 都闭合时隔离漏电流测量的等效电路。假设电路中采用精密组件,则运算放大器的输入阻抗、偏置电流和失调电压可以忽略不计。
图 2-10 中的漏电流可以通过叠加各个电压源来计算。在相同的基准电源且运算放大器没有失调电压的情况下,电路中因为 VREF 电源导致的漏电流可以忽略不计并会被抵消(由于对称性)。HV_BATT 是很大的电压源,会导致机箱接地中产生漏电流。如果 Riso 太小,则 图 2-10 中所示的 I_Leak2 可以忽略不计。导致漏电流变化的主要因素为 HV_BATT 电源和隔离电阻。ISO_N 的测量非常重要,因为当高压正端子上发生隔离错误时,这些测量可用于确定漏电流和隔离电阻。
当负端子上发生错误时,类似的漏电流分析也同样有效。几个公式会发生变化,但理论部分大致相同。当高压电池的负端子上存在隔离错误时,ISO_POS 的测量非常重要。