Елементна база за електрически и хибридни автомобили

ЕлектроникаСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 6, 2014

Стефан Куцаров

Eлектрониката отдавна е неизменна част от съвременните автомобили и в значителна степен именно на нея се дължат все по-добрите им качества и повишеният комфорт на пътуващите. И докато класическите автомобили с двигатели с вътрешно горене (ДВГ) по принцип могат да работят без електроника, това е немислимо при хибридните (Hybrid Electrical Vehicle, HEV) и електрическите (Electrical Vehicle, EV).

Поради това развиващата се от около 4 десетилетия автомобилна електроника придоби нови измерения, за да отговори на специфичните изисквания към функционирането им. Усъвършенстват се средствата за натрупване на необходимата електрическа енергия и ефективното й използване заедно с тези за управление на електродвигателите и все по-разнообразните сензори.

Подобряват се характеристиките на съществуващи електронни елементи в съответствие с изискванията на НЕV и ЕV и се разработват нови интегрални схеми (ИС) и електронни блокове на тяхна основа, които отчитат спецификата на функционирането и експлоатацията им. Те са обект на статията, която логично не включва електрониката, ползвана в класическите автомобили.

Същност на НЕV и ЕV
Основната част на развойната и производствената дейност в световен мащаб е съсредоточена в леките автомобили и затова именно те се подразбират при ползването на термините НЕV и ЕV. Освен тях се разработват и произвеждат автобуси, камиони и мотоциклети с аналогични принципи на действие.

Хибридни автомобили. В съответствие с наименованието те включват ДВГ и електрически двигател. Развитието им започва през последните 3 десетилетия на ХХ век с цел намаляване на създаваните от тези двигатели емисии на СО2 и поради очертаващото се изчерпване на запасите от нефт, налагащо търсенето на алтернативни решения. Логичното и засега най-масово използвано решение са НЕV, за които се очаква да са 5,5% от световното производство през 2020 г.

Според начина на работа на ДВГ и електродвигателя има 3 основни разновидности. В т. нар. серийни НЕV (Series Hybrid Vehicle) чрез ДВГ се задвижва електрически генератор за осигуряване на необходимата енергия на електродвигателя и свързаните към него колела, като същевременно акумулаторът се зарежда.

Предимства на тази концепция са липсата на скоростна кутия и свързаните с нея елементи, а сред недостатъците са значителните размери, тегло и цена. Тя се използва отдавна за големи мощности, например в дизелово-електрически локомотиви, а в съвременния транспорт намира приложение и в автобуси, камиони и военно-транспортни машини.

Втората разновидност са паралелните НЕV (Parallel Hybrid Vehicle), в които колелата могат да се задвижват от ДВГ и електродвигателя. При скорости до около 40 km/h работи само електродвигателят, при по-големи – само ДВГ, а при ускорение работят и двата.

Поради по-простата структура и намалени размери тези НЕV се използват в леки автомобили с основни предимства по-малкият разход на гориво в извънградски режим и намалената необходима мощност на електродвигателя. Сред недостатъците са по-сложното задвижване и невъзможността ДВГ да работи с неизменни обороти.

Комбинираните НЕV (Combined Hybrid Vehicle, Series-Parallel Hybrid Vehicle) са с по-сложна структура, но позволяват на водача да избира задвижване само от ДВГ или само от електродвигателя. Резултатът е по-малък и с по-голям к.п.д. ДВГ, към което предимство се прибавя работата при малки обороти като сериен НЕV. Основните недостатъци са по-сложната и скъпа система на задвижване.

В зависимост от степента на участие на електродвигателя за осигуряване на мощността на НЕV, което от своя страна определя ползваната специфична електроника за работа им, съществуват 4 основни типа паралелни и комбинирани НЕV. Известните като микрохибриди (Micro Hybrid, Mild Hybrid) са всъщност класически автомобили с ДВГ и по-голям стартер, чийто двигател се изключва  при движение по инерция, натискане на спирачките и когато са спрели.

Същевременно при потегляне първоначалното ускорение се осигурява от стартера и на ДВГ се подава гориво едва при достигане на определени обороти. Това определя наименованието старт-стоп система (Start/Stop System), която осигурява допълнителна възможност вместо акумулатор да се използва суперкондензатор. Същевременно тя е съществен фактор за намаляване на създавания шум от автомобила.

Аналогична система се използва и в останалите типове НЕV, като в Medium Hybrid (или Motor Assist Hybrid) към нея се прибавя включване на електродвигателя само за кратко време при потегляне на автомобила и при рязко увеличаване на скоростта, докато в останалото време работи само ДВГ.

Това изисква сравнително малка мощност от електродвигателя и неголям капацитет на акумулатора. В изцяло хибридните автомобили (Full Hybrid Vehicle, Strong Hybrid Vehicle) към това се прибавя възможността за движение на автомобила само с ДВГ, само с електродвигател или с двата едновременно.

Необходимата електрическа енергия за зареждане на акумулатора в тези три вида НЕV се осигурява от самия автомобил. В последния вид (Plug-in Hybrid Vehicle, Grid Connected Hybrid Vehicle) PНЕV това се осъществява от електрическата мрежа, като същевременно акумулаторът е достатъчно голям за осигуряване на еднодневен пробег в градски условия само с електродвигателя.

Самият ДВГ се използва само за по-големи разстояния като зарежда акумулатора и освен бензинов и дизелов може да е такъв за работа с водород. Идея за структурата на РНЕV е дадена на фиг. 1, като АС и DC представляват съответно променливотоковите и постояннотоковите електрически връзки. Куплунгът за свързване към електрическата мрежа GC е стандартизиран, за да може да се свързва към зарядни станции.

Когато зарядният блок е вграден в автомобила (On-board Charger), той може да натрупва във високоволтовата акумулаторна батерия HV Accu електрическа мощност между няколко kW и няколко десетки kW. За по-големи мощности се ползват Ch, разположени в зарядните станции (Off-board Charger), които осигуряват постоянно напрежение и мощност 50 – 100 kW.

Постоянното напрежение на HV Accu се понижава от преобразувателя DC/DC1 за зареждане на “класическия” 12- или 24-волтов акумулатор Accu, но е възможно и непосредственото му зареждане от Ch. Същевременно напрежението се повишава допълнително от DC/DC2 до типична стойност 600 – 650 V, за да може инверторът Inv да го превърне в необходимото за електродвигателя М променливо напрежение обикновено 600 или 1200 V.

То задвижва колелата W, което може да се прави и от ДВГ, означен с ICE (Internal Combustion Engine), т. е. това е структурата на паралелна НЕV. Двупосочните връзки показват, че М може да работи и като генератор и през Inv, DC/DC2 и DC/DC1 да зарежда двата акумулатора.

Описаното действие на РНЕV изисква М да е с мощност 70 – 100 kW, а икономията на гориво е 50 - 100%. Сериозните успехи в замяната на ДВГ с горивни клетки, работещи с водород, дава своето отражение и в НЕV - те са с наименование електромобили с горивни клетки (Fuel Cell Electric Vehicle, FCEV), като вече съществуват прототипи.

Електрически автомобили. Понастоящем сред големите производители на леки коли едва ли има някой без развойна дейност, създаден прототип или серийно производство на ЕV. Все пак те изостават от НЕV – през 2012 г. в световен мащаб са произведени 180 000 ЕV, което е 0,02% от тези с ДВГ, а прогнозите за 2020 г. са делът им да нарасне на 1,8% (около 6 милиона).

Сред причините за това по-бавно от очакваното увеличаване на производството са все още високата цена, значителното време за зареждане на акумулатора, сравнително краткият му експлоатационен срок и отсъствието на развита мрежа от зарядни станции.

Три са разновидностите на ЕV, като първата (известна от началото години на миналия век) са захранваните от електрическата мрежа трамваи и тролейбуси. Втората, все още на ниво експериментални разработки, са ЕV, използващи слънчевата енергия за зареждане на акумулаторите (Solar Powered Vehicle).

Последната са ЕV с акумулатор и зареждане от електрическата мрежа (споменатото означение ВЕV), към които специалистите нерядко прибавят РНЕV и общо ги означават с РЕV (от Plug-in Electric Vehicle), а основната им структура е дадената на фиг. 1, но без ICE.

Автобуси и камиони. Засега автобусите са НЕV и в сравнение с тези с дизелов електродвигател консумират средно с 30% по-малко гориво. Толкова е и понижението на емисиите от СО2, към което се прибавят по-малкото съдържание на СО и азот и около 2 пъти по-малкият създаван шум.

Подобни автобуси са в редовна експлоатация в над 30 града в САЩ, докато електрическите автобуси са предимно на ниво експериментални модели. Тежкотоварните камиони засега са само НЕV поради голямата им мощност. Подобно е положението с лекотоварните камиони за работа в градски и крайградски условия с полезен товар 1-2 тона и максимална скорост до 80 км/ч.

Двуколесни превозни средства. Те са разновидност на велосипедите и мотоциклетите и са известни под наименованията Electric Bicycle, E-Bike, Pedelec. Електродвигателят на велосипедите най-често е в главината на задното колело (но има схеми с разполагането му в предната главина или в касетата на педалите), а акумулаторът с напрежение между 12 V и 42 V е в багажника над него или в рамката.

Структурата им е опростен вариант на фиг. 1 (без ICE и DC/DC2), а цялото управление се извършва от микроконтролер, например bq77910 или bq78412 на Texas Instruments. Електрическите мотоциклети (Electric Motorcycle) са основно на ниво развойна дейност и прототипи.

Акумулатори
За капацитета С на HV Accu (наричат се и Traction Battery) в НЕV и ЕV все по-често се предпочита мерната единица kWh вместо "класическата: Ah, като връзката е C[kWh]= 0,001C[Ah]xVB[V], а VВ е напрежението им. Освен това вместо максималния ток на разреждане ID обикновено се задава максималната мощност PL[kW]=0,001ID[A]xVB[V], която HV Accu може да осигури на М.

Оловните акумулатори се използват в някои микрохибриди и в прототипи на НЕV, но с основно приложение са никел-метал-хидридните (NiMH) и литиево-йонните (Li-Ion).
Освен параметъра брой на циклите заряд-разряд (Deep Cycle, DpC) с разреждане до допустимото минимално напрежение, не по-малко важен е броят на импулсните разреждания (Shallow Cycle, ShC), които изискват голям ток за кратко време (при стартиране на М) – обикновено той е с 2-3 порядъка по-голям.

Друга особеност е, че при зареждане на HV Accu не трябва да се достига максималният им капацитет (State Of Charge, SOC), за да има възможност да се дозареждат при спиране. От друга страна, те не трябва да се използват при количество електричество в тях под минимално допустимото (Depth Of Discharge, DOD), за да не се скъсява DpC.

Класическите акумулатори за НЕV (HEV Battery), трябва да се зареждат до 0,8SOC с ток не по-малък от 10 С, а разреждането да се прави до 0,4SOC. Така например акумулатор с VВ = 200 V и C = 5 kWh работи най-добре с количество електричество в него между 2 и 4 kWh (съответно 10 – 20 Ah) и трябва да се зарежда с ток над 250 А.

Акумулаторите с увеличен брой цикли (Long Cycle Life Battery) също за НЕV трябва да работят между 0,6SOC и 0,75SOC, което налага по-честото им зареждане с ток 7 А. И при двете разновидности импулсният ток на разреждане достига до 40С (за примера - 1000 А). Ограниченията при акумулаторите за РНЕV са работа между 0,2SOC и 0,9SOC (предпоставка за по-дълъг пробег с едно зареждане) и заряден ток 3С (необходимо е по-продължително зареждане).

В най-широки граници на количеството електричество (между 0,2SOC и 0,95SOC) могат за работят HV Accu в ЕV, но зареждането им изисква най-дълго време, тъй като се прави с типичен ток 1С. При тях VВ обикновено е не по-малко от 300 V. Използваните в електрическите велосипеди HV Accu обикновено са с капацитет няколко стотици Wh, като обикновено имат VВ = 24 – 48 V.

Терминът "интелигентен" акумулатор (Smart Battery) се отнася за HV Accu с комуникационна връзка (например с помощта на интерфейса SMBus) със зарядното устройство. Чрез нея те предават различни данни за себе си, които освен основните им параметри включват резултатите от периодичното измерване на количеството електричество, напрежението, тока и температурата им, както и оценка за реалното състояние на акумулатора чрез сравняването му с това на нов. За осигуряване на описаното действие е необходимо свързване към "интелигентно" зарядно устройство, при което DpC се увеличава с около 50%.

Непрекъснато нарастващото използване на Li-Ion акумулатори освен на по-малкото им тегло се дължи на множество други фактори, сред които е възможността за бързо зареждане, стойностите на С до 1000 Ah и на DpC до 3000. Непрекъснато се появяват нови разновидности на HV Accu на основата на Li с все по-добри параметри – например тези с анод от Li4Ti5O12 и абревиатура LTO имат DpC от 10 000.

Особеностите при ползването на Li и други фактори са причината за твърде високата цена на литиевите HV Accu, но тя сравнително бързо намалява. Това е сред причините да се очаква стойността на произведените такива акумулатори от 1,6 млрд. USD през 2012 г. да нарасне на 22 млрд. през 2020 г.

ИС за акумулатори
Разделят се на три групи, основната от които е за контрол на работата на HV Accu с наименование Battery Management (дадените в редове 1-5 на табл.1). Високото VВ на тези акумулатори изисква реализацията им чрез последователно свързване на много клетки. Контролът на напрежението VС на всяка от тях е задължителен, но се следи още температурата на част от клетките (обикновено 2) чрез термистори или позистори, а в някои случаи и токът на целия акумулатор.

Времето за получаване на показанието на измерваната величина е tFD. Всички величини се контролират от една ИС (Battery Monitor) BM, която в зависимост от модела следи едновременно N клетки (между 3 и 16), съвкупността от които е прието да се нарича модул. Съществено е, че ИС обикновено може да се използва за различни видове акумулатори.

Основното свързване е на фиг. 2а, като за напрежението на всяка клетка има диференциален вход INi на ВМ. За простота на фигурата е показан само един термистор с вход ST на ВМ, а токът се измерва чрез пада на напрежение върху RS и усилвателя А.

Чрез вграден в ВМ мултиплексор на изхода О се получават последователно във времето всички измервани величини, които могат да са аналогови или двоични числа с разредност n. При необходимост от VВ, по-голямо от осигуряваното от един модул, се свързват последователно k модула (фиг.2б) при максимална стойност на k, определяна от ВМ.

Така например ИС в ред 3 на табл. 1 е модул с 12 клетки, който допуска kmax=32, което при Li-Ion акумулатор с VC=4,1V позволява реализиране на VВ до 4,1Vx12x32 = 1574 V. При цифрови данни на изходите Oi те чрез цифровите изолатори (Digital Isolator) DIi за галванично разделяне постъпват на микроконтролера Contr, свързан към комуникационната мрежа на НЕV и ЕV чрез някой от популярните интерфейси.

Пример за цифров изолатор е 4-каналният ADuM140xWT на Analog Devices. Важно е да се прибави, че по същия начин ИС за контрол могат да се използват и за модули от суперкондензатори.

Втората група са за зареждане на акумулаторите, като тези за 12-волтовия практически няма особености в сравнение с масово разпространените за преносими устройства (ред 6 на табл. 1 с приложения също в индустрията и медицината). Идея за структурата на вградения в НЕV и ЕV заряден блок (Ch на фиг. 1) е дадена на фиг. 3.

Мрежовото напрежение от вход АС (обикновено то е 85 - 265 V) се преобразува в постоянно от REC като контролерът DРC1 го следи. В нарастваща част от НЕV и ЕV към REC се прибавя схема за корекция на фактора на мощността, като някои производители дори предлагат подходящи за реализацията й мощни NMOS транзистори (STW62N65M5 на STMicroelectronics за 650V/46А).

Напрежението от REC се повишава от блока с галванично разделяне Boost, който е с дискретни NMOS транзистори или IGBT и има ИС на драйвер за управлението им, например сериите МАХ15012 и МАХ15013 на Maxim Integrated и UCC27531/UCC532 на Texas Instruments. Допълнително чрез DPC1 се измерва и токът в първичната намотка на Boost, а DPC2 е за тока и напрежението във вторичната намотка.

Двата контролера могат да са цифрови сигнални процесори (DSP) с общо предназначение. На фиг.3 не са означени съществуващите в някои зарядни блокове възли за безжична комуникация или такава по електрическата мрежа, например съответно СС430 и TMS320Fxx на TI.

Последната група са ИС за предпазване от импулсни напрежения, характерни не само за индустриални системи, но и за НЕV и ЕV. Предпазването може да се прилага за произволна точка на електрическите вериги в автомобила. Принципът на свързването им се изяснява чрез фиг. 4, която е за серията МАХ6495 - МАХ6499 на Maxim Integrated и представлява еднополярен ограничител на положителното напрежение на входа VIN.

При негова стойност под зададената чрез делителя R1-R2 транзисторът е отпушен и VIN се подава към свързания в изхода VOUT товар. Стойността на VIN може да е между 5,5 V и 72 V, а консумираният от ИС ток е типично 15 uA. Подобна, но с напрежение 0,8 – 10 V е NCV300 на ON Semiconductor.

Съществуват и ИС за предпазване от положителни и отрицателни напрежения с еднаква стойност, пример за каквато е серията SM4TY Transil на STMicroelectronics за напрежения 5 – 70 V със специфичната особеност, че може да издържа входни импулси 8/20 us с мощност до 400 W.

Постояннотокови преобразуватели
Опростената структура на двупосочен понижаващ преобразувател (DC/DC1 от фиг.1) с наименование Bidirectional DC/DC Converter е дадена на фиг.5, като извод IN е свързан към HV Accu, а OUT към Accu. С В1 e означена високоволтова мостова схема с дискретни мощни NMOS транзистори, например TK49N65W на Toshiba за напрежения до 650 V, ток до 49 А и разсейвана мощност 400 W и STW7NM60ND на STMicroelectronics с 600 V/35 А и съпротивление на канала 38 милиома. Подобна е нисковолтовата схема В2, реализирана например с транзисторите с вградена защита NCV8403A и NCV8460A на ON Semiconductor.

На двете схеми чрез драйверите Dr1 и Dr2 и цифровия изолатор DI от блока PWM се подават правоъгълни импулси с ШИМ, а действието се осигурява от контролерите Contr1 и Contr2. Галваничното разделяне между В1 и В2 се осъществява чрез трансформатор в блока GI. Използването на мостови схеми е необходимо за двупосочния обмен на енергия между двата акумулатора. Контролерите могат да са специализирани, например UCC28950-Q1 на Texas Instruments или ТС1724 на Infineon, както и подходящи с общо предназначение, например от серията С2000 Picolo отново на TI.

Съществуват преобразуватели с подобно действие, но без галванично разделяне и предаване на енергия само от IN към OUT, които изискват масата на НV Accu да е отделена от тази на Accu. За реализацията им вместо В1, GI и В2 могат да се използват ИС, например P57184N-715В на Powerex, която работи с входно напрежение 140 – 360 V и на изхода си за 15 V осигурява ток до 350 mA. От същия тип е M81729FP на Mitsubishi Electric с вход за напрежение до 600 V и изход 24V/200mA.

Преобразувателят DС/DC2 от фиг. 1 е двупосочен с типична прехвърляна мощност между 10 и 100 kW и напрежение към Inv в границите от 300 до 650 V.

Инвертори
Предназначението им е да осигуряват работата на трифазния променливотоков електродвигател чрез използване на постоянно напрежение, т. е. по своята същност Inv са преобразуватели на постоянно в променливо напрежение (DC/AC Inverter), а често използвано наименование е Traction Inverter. Значителната мощност на електродвигателя и необходимостта от двупосочен обмен на енергията определя използването на мостови схеми с IGBT (IGBT Stage на фиг.6) за осъществяване на преобразуването.

Основно се използват дискретни IGBT, например STGW30H65FB на STMicroelectronics (650V/30A/260W), но се предлагат и модули. Сред тях е FS600R07A2E3 на Infineon, който съдържа трите двойки IGBT с отделни изводи и термистор за измерване на температурата на всяка от тях. Той осигурява 650V/400А/1250W при размери 108x50x17 mm.

От драйверите (Driver Stage) освен необходимите електрически параметри се изисква да осигуряват галванична изолация (могат да се използват значителна част от предназначените за управление на електродвигатели в други приложения). Характерна ИС е 2EDL23N06PJ също на Infineon за захранване на една двойка IGBT с ток на гейта им до 1,8 А.

Специфично изискване към микроконтролерите е да са в съответствие със стандартите за автомобилна електроника, като се предпочитат 32-разредни с тактова честота не по-малка от 150 MHz. Подходящи са PIC32MZ2048ECH100 и неговите разновидности на Microchip Technology и серията ТС27Х на Infineon.

Управлението на електродвигателя се основава на съществуващите методи за други приложения, но се създават и специфични техни видоизменения. Един от примерите е увеличаване на честотата на ШИМ импулсите при нарастване на оборотите, с което намалява разсейваната мощност върху IGBT. Не по-малко важни са тяхното охлаждане и увеличаване на надеждността на всички елементи на Inv.

От останалите блокове на фиг. 6 характерни са тези за измерване на напрежението, тока и температурата на IGBT и задължителното наличие на кондензатор (DC Link Capacitor) с достатъчно голям капацитет успоредно на двата проводника на HV Accu, който реално не позволява към акумулатора да се подават променливите съставки на блока с IGBT.

Прибори от SiC и GaN
Възможностите за работа на приборите от SiC до значително по-високи температури в сравнение със силициевите позволяват намаляване на размерите на ползващите ги блокове благодарение на по-голямата плътност на монтаж. Към това се прибавят предимствата на намалените загуби на енергия при комутация и работата до по-високи честоти.

В НЕV и ЕV резултатите засега са реализацията на мощни NMOS транзистори за блоковете Ch, DC/DC1 и DC/DC2 от фиг. 1 и дори замяната на IGBT в Inv с тях поради по-малката разсейвана мощност в отпушено състояние. Пример е C2M0025120D на Cree в корпус ТО-247-3 с параметри 1200V/90А/460W, особено подходящ за DC/DC2.

През 2013 г. бе съобщено за създаването на модула CMH1200DC-34S от Mitsubishi Electric, представляващ Inv с диоди от SiC успоредно на неговите IGBT. Той е 1700 V/1200 А/6750 W при размери 140x130x29,5 mm.

На ниво изследователска работа са приложенията в НЕV и ЕV на полевите транзистори с голяма подвижност на електроните (НЕМТ) на основата на GaN, от които се очаква да заменят IGBT в Inv за намаляване с около 60% на разсейваната мощност основно благодарение на липсата на диод и цената им през 2020 г. да е аналогична на тази на приборите от Si.

Специфични сензори за НЕV и ЕV
Освен многобройните сензори, познати от автомобилите с ДВГ, в НЕV и ЕV се използват и други, пряко свързани със спецификата на работата им.

Сензори за ток. Те са най-голямата група и се използват основно за измерване на постоянните токове на зареждане и разреждане на HV Accu и на променливите токове в трите фази (Phase Current) на М. Тежките условия на работа и на първо място широкият температурен обхват не позволяват наличието на токови трансформатори и определят като най-често използван ефекта на Хол за преобразуване на измервания ток в напрежение.

Самите сензори съдържат елемент на Хол, усилвател на напрежението му и, в зависимост от модела, друга помощна електроника. Съществуват 3 основни конструкции в зависимост от начина на разположение на елемента и проводника с измервания ток.

Първата е за максимален ток IP до десетина ампера, като проводникът е част от топологията на ИС. Това се вижда от свързването (фиг. 7а) на ИС от ред 1 на табл.2, чиито изводи 1-4 са за тока. При токове до 100 А проводникът е отделна пластина на ИС, пример за което е в ред 2 на табл. 2. Чувствителността S на сензорите с тази конструкция показва стойността на изходното напрежение при ток 1 А, а относителната грешка на измерването е dT.

Максималната честота на измервания ток е fmax и резисторът със съпротивление RP е за протичане на измервания ток. Той е галванично разделен от елемента на Хол при максимално допустимо напрежение между двата VISO.

Във втория тип конструкции ИС се поставя върху проводника на печатната платка (фиг. 7б) с тока IP, като вместо него параметър е максимално допустимата напрегнатост НР на магнитното поле върху ИС, а чувствителността е с измерение mV/mT. Такъв е сензорът от ред 5 на табл. 2, който може да измерва IP до 600 А в зависимост от оформлението на проводника.

Последният тип сензори са за най-големи токове, като около проводника се поставя феритен пръстен за концентриране на магнитното му поле върху ИС, а тя е поместена в процеп на ферита (фиг. 7в). Такива са сензорите в редове 3, 4 и 6 на табл. 2.

Върху точността на измерване на интензитета на магнитни полета влияние оказват множество външни фактори. Практически то е избегнато в сензора HAL880 на Micronas чрез просто и оригинално програмиране. Работата му е възможна с външни магнитни полета с напрегнатост до 10 mT и честота до 1 kHz.

Освен чрез сензори на Хол продължават приложенията на “класическото” измерване на ток чрез усилване на пада на напрежение върху свързан във веригата му резистор. Използват се усилватели за контрол на ток (Current Sensing Amplifier) с двете типични свързвания на незамасен товар L (фиг.8а) и замасен товар (фиг. 8б), в които при коефициент на усилване G на диференциалния усилвател DA се получава VOUT = GRSI. Усилвателят може да е реализиран с един или три операционни усилвателя, например МСР6Н01 и МСР6Н04 на Microchip, но има и специализирани усилватели (табл. 3).

Допустимата относителна грешка dG на G трябва да е достатъчно малка, за нормалната им работа входното диференциално напрежение не трябва да надхвърля VINmax, а входното синфазно напрежение да е до VCM. Например при избор на 40 mV за измерване на IP до 40 А е необходим RS = 1 mW. Също за намаляване на грешката при измерване трябва DA да е с висок коефициент на потискане на синфазни сигнали СМRR.

Особености на усилвателя от ред 1 са допълнителното измерване на температурата на кристала и външна температура чрез диод, както и на постоянните напрежения върху RS и диода. Токът и напреженията се получават като 14-битови числа и се предават чрез I2C интерфейс. Подобен е усилвателят на ред 3, но допълнително се измерва температура, резултатите са 11-битови числа, а използваният интерфейс е SMBus.

Други сензори. Контролът на положението на ротора на М може да се извършва чрез сензори за ъгъл на завъртане (Rotary Position Sensor), които имат линейно зависещо от него изходно напрежение. Такива са SV03A103AEA01 на Murata с изходна величина напрежение и температурен обхват -40ё+125 °С и безконтактният AMS22S на Bourns, чиято изходна величина може да бъде правоъгълни ШИМ импулси с коефициент на запълване, правопропорционален на ъгъла.

За измерване на различни физични величини при работата на НЕV и ЕV чрез използване на пиезорезистивни мостове е предвидена ИС ZSSC3015 на ZMDI, която е в съответствие със стандарта AEC-Q100 за автомобилостроенето.



ЕКСКЛУЗИВНО

Top