TI推出固态继电器，实现更安全的电动汽车

随着电动汽车（EV）的设计开始增加和激增，它们也从400 V电池架构转向800 V电池架构。这在安全性和复杂性方面提出了新的挑战。为了满足这些需求，今天，德州仪器公司宣布了两款新的固态继电器IC，旨在解决当今电动汽车设计工程师面临的安全和可靠性障碍。

在这篇文章中，我们讨论了为什么隔离在电动汽车中至关重要，为什么固态继电器提供了一种有吸引力的方法，研究了新继电器产品的细节，并分享了我们采访德克萨斯仪器公司电源开关经理Priya Thanigai时的见解。

 

电动汽车安全问题岌岌可危

从长远来看，Thanigai解释说，汽车基本上是人机界面（HMI）的最大例子。换句话说，这是人类每天都会接触、操作和工作的最大类型的设备。对于电动汽车来说，这导致了一种固有的危险情况。

 

隔离在电动汽车系统中变得越来越重要，尤其是当工程师从400 V电池系统转移到800 V电池系统时。图片由德州仪器公司提供

 

Thanigai说：“一方面，普通的非常脆弱的人没有受过良好的训练，装备也不完善，另一方面，你有一个800伏的电池。这对生命和安全问题产生了巨大的影响。”。

考虑到所有这些，电源隔离在电动汽车中极其重要，随着电动汽车行业从400伏电池过渡到800伏电池，这一点更为重要。如前所述，为了应对这些挑战，TI今天推出了一对固态继电器IC。该公司声称，这些解决方案提供了业界最小的解决方案尺寸，并降低了800 V系统动力总成和电池管理系统的物料清单成本。

 

从机械继电器到固态继电器

汽车行业使用机械继电器提供隔离有着悠久的历史。固态光电继电器（基于光电子的继电器）也已被使用。此外，当第一辆电动汽车制造出来时，使用了机械和光电继电器，因为这是可用的。TI表示，凭借其新的纯固态继电器产品，它能够提供比机械继电器更长的工作寿命，同时提供更高的隔离能力。

今天发布的两款固态继电器TI是TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1。TPSI3050-Q1隔离开关驱动器集成了一个10 V栅极电源，TPSI2140-Q1是一个1400 V、50 mA的隔离开关。这两种设备都在单个屏障上提供集成的电源和信号隔离。

TPSI3050-Q1提供高达5 kV的强化隔离_均方根，同时还提供了比机电继电器高10倍的工作寿命，机电继电器会随着时间的推移而退化。此外，TPSI2140-Q1提供高达3.75 kV的基本隔离_均方根值，使其能够实现比固态光电继电器高四倍以上的时间相关介电击穿可靠性。

据TI介绍，TPSI3050-Q1集成了隔离电源、数字隔离器和栅极驱动器的功能。TI声称，与机械继电器解决方案相比，这将解决方案的规模减少了90%。同时，与传统的固态光电继电器相比，TPSI2140-Q1将解决方案尺寸缩小了50%。它通过嵌入信号场效应晶体管（FET）和电阻器来实现这一点，并消除了对簧片继电器的需求。

这些设备是TI新的固态继电器产品组合中的第一个，该产品组合还将包括为高压工业应用设计的IC。除了这一消息，TI还发布了一篇技术文章，解释了固态继电器的好处。

 

片上隔离屏障

这两个固态继电器IC本质上是带有内置在芯片中的隔离屏障的电源开关。芯片将高压侧和低压侧分开。控制信号来自微控制器或某种其他类型的低电压域，并通过隔离屏障来控制另一侧的某种高电压路径。TI表示，屏障处的隔离技术是一种具有高度弹性的制造工艺。

 

新型TI固态继电器嵌入了一个隔离屏障，将低压侧与高压侧隔开。图片由德州仪器公司提供

 

Thanigai说：“这些设备的工作电压实际上是1400伏，因此它们被指定在比400伏和800伏电动汽车电池技术所需的电压高得多的电压下工作，因为我们看到未来会进一步超过800伏。”。

速度是新型固态继电器的另一个关键方面。TI认为，新型固态继电器可以通过单个隔离屏障断开和连接负载，速度比机电继电器快得多。

Thanigai说：“机械继电器通常需要几十到几百毫秒才能打开和关闭。”。“但在固态继电器的情况下，它需要数百微秒。”

固态继电器可以提供关键的隔离功能，使人类免受伤害。它们可以防止问题的发生，但如果发生了，也可以立即处理。为了说明速度增加的重要性，Thanigai使用了一个典型的电动汽车功能的例子：安全切断。

电动汽车运行“隔离检查”功能，该功能在汽车检查的整个过程中都在后台运行，以确保400 V电池与底盘隔离，这样，如果有人打开发动机罩并触摸底盘，他们就不会触电。

Thanigai解释说，TI的固态继电器可以用于其开关机制，以检查隔离屏障是否工作。

 

“希望什么都不会发生。但是，如果发生灾难性的事情，你希望电压切断非常快、非常快、高度可靠。这就是这些固态继电器的作用。它们提供第一次检查，以确保高压电池和人体之间没有接地连接，在这种情况下，人体是车辆底盘。”

 

更多隔离产品

除了两款新的固态继电器IC外，TI还宣布了其他新产品，作为其隔离产品组合的一部分。其中包括UCC14240-Q1，这是一个旨在提高电动汽车行驶里程的隔离DC/DC偏置电源模块。

另一款新产品是AMC23C12，TI称其为“业界首款”加固隔离比较器。总的来说，AMC23C12将标准比较器的功能与电流隔离屏障相结合，并在小于400ns的时间内提供隔离的双向过电流和过电压检测。

 

TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q分别提供了TPSI3050Q1EVM（如图所示）和TPSI2.140Q1EVm评估板。图片由德州仪器公司提供

 

TI表示，TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1现在可以在TI.com上以1000单位的预生产量提供。还可以提供用于这两个IC的TPSI3050Q1EVM和TPSI2.140Q1EVm评估板。

随着电动汽车系统设计师计划从400伏电池过渡到800伏电池，有新的技术选择需要考虑。TI的这些新隔离产品解决了未来的许多挑战，并有助于从机械继电器转向固态替代品。