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ZHCAEB9 August 2024 TPSI2140-Q1

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商標(biāo)

引言

當(dāng)機(jī)械繼電器承受高浪涌電流和電壓時(shí)，可能產(chǎn)生電弧，進(jìn)而引起繼電器觸點(diǎn)熔化并粘結(jié)在一起，這時(shí)便會(huì)發(fā)生繼電器焊接。為了保持系統(tǒng)的安全性和可靠性，有效檢測繼電器焊接至關(guān)重要。在許多采用高電壓的交流與直流應(yīng)用領(lǐng)域中，例如電動(dòng)汽車 (EV)，焊接問題屢見不鮮。

EV 領(lǐng)域采用高壓接觸器來給車輛充電，因此電路中產(chǎn)生的電弧可能導(dǎo)致機(jī)械繼電器發(fā)生焊接。與機(jī)械繼電器不同，固態(tài)繼電器 (SSR) 沒有活動(dòng)部件，因此非常適合用于診斷焊接檢測。本應(yīng)用簡報(bào)以 EV BMS 為例，討論了如何實(shí)施 SSR 來檢測繼電器焊接。有關(guān) EV 充電器中焊接檢測的詳細(xì)信息，請參閱 L1 和 L2 電動(dòng)汽車充電器的電動(dòng)汽車服務(wù)設(shè)備設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

焊接檢測原理圖

在 EV 架構(gòu)中，隔離式開關(guān)可以與分壓器配合使用，以檢測繼電器焊接和卡在開路狀態(tài)的問題。圖 1 展示了 TPSI2140-Q1 的 MCU 級實(shí)現(xiàn)原理圖，這款汽車級隔離式開關(guān)可通過來自 MCU 的低壓信號控制高壓負(fù)載，并在兩者之間提供隔離。

圖 1 TPSI2140-Q1 隔離示例

一般情況下，為了檢測焊接，必須在機(jī)械繼電器之后測量電壓。這樣，可以根據(jù)測量的電壓值確定繼電器的物理完整性。然后，可以通過 MCU 以不同的組合斷開或合上開關(guān)，測量機(jī)械繼電器兩端節(jié)點(diǎn)處的電壓，并確定電路中是否存在繼電器焊接或開路。

圖 2 展示了如何實(shí)施 TPSI2140-Q1 來診斷 EV 主接觸器中的繼電器焊接閉合和卡在開路狀態(tài)。開關(guān)閉合后，HV+ 和 HV- 之間會(huì)短暫產(chǎn)生電壓差，以便能夠進(jìn)行電壓測量。然后，可以將這些電壓與機(jī)械繼電器正常工作時(shí)的預(yù)期值進(jìn)行比較，從而檢測是否存在故障。如果在節(jié)點(diǎn)處進(jìn)行的測量結(jié)果顯示檢測到焊接或開路，MCU 可以進(jìn)行干預(yù)來保護(hù)系統(tǒng)。

圖 2 繼電器焊接檢測原理圖

隔離式開關(guān)需要以多種不同的組合閉合來創(chuàng)建不同的環(huán)路，從而以節(jié)點(diǎn) B 作為參考接地來測量不同的節(jié)點(diǎn)。有關(guān)繼電器功能診斷的真值表以及每種診斷的分壓器公式，請參閱表 1。

表 1 繼電器正常工作時(shí)的診斷表

診斷	SW1	SW2	SSR1	SSR2	預(yù)期電壓值
SW1 焊接檢查	-	-	閉合	閉合	$V_{A} = 0 V \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$
SW1 開路檢查	閉合	-	閉合	閉合	$V_{A} = V_{PACK} \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$
SW2 焊接檢查	閉合	-	閉合	閉合	$V_{A} = V_{PACK} \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$
SW2 開路檢查	閉合	閉合	閉合	閉合	$V_{A} = 0 V \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$

設(shè)計(jì)說明

為 RDIV1 選擇一個(gè)明顯大于 RDIV2 的電阻值，以便創(chuàng)建一個(gè)合適的分壓器，使得測得的電壓值容易區(qū)分。
選擇合適的電阻值，以確保計(jì)算得出的分壓器值位于 ADC 滿量程范圍內(nèi)。
測量電壓時(shí)以節(jié)點(diǎn) B 作為參考接地，因?yàn)槠渌?jié)點(diǎn)可能處于懸空狀態(tài)。

應(yīng)用示例

選擇 RDIV1 和 RDIV2 的值。可使用上表中的電壓公式，反向計(jì)算所需的電阻值來選擇合適的電阻值。
在這個(gè)電動(dòng)汽車主接觸器的應(yīng)用示例中，假設(shè)使用 800V 電池和 3.3V MCU，因?yàn)檫@些是行業(yè)中的常見標(biāo)準(zhǔn)。選擇的電阻值如下：
1. RDIV1 = 1M?
2. RDIV2 = 2k?
當(dāng)繼電器的物理完整性受到影響時(shí)，節(jié)點(diǎn)的電壓值將會(huì)與正常運(yùn)行條件下的值有所不同。我們將這些測量值與測試場景（焊接或開路）的預(yù)期值進(jìn)行比較。如果檢測到焊接或開路，MCU 會(huì)進(jìn)行干預(yù)以保護(hù)系統(tǒng)。

表 2 顯示了繼電器物理完整性受到影響時(shí)的一些示例結(jié)果，箭頭指示了焊接或開路對機(jī)械繼電器的狀態(tài)有何影響：

表 2 繼電器物理完整性受損時(shí)的診斷表

診斷	SW1	SW2	SSR1	SSR2	預(yù)期電壓值	物理完整性受損時(shí)的電壓值
檢測到 SW1 焊接	開路 ? 閉合	-	閉合	閉合	$V_{A} = 0 V$	$V_{A} = 1.6 V$
檢測到 SW1 開路	閉合 ? 開路	-	閉合	閉合	$V_{A} = 1.6 V$	$V_{A} = 0 V$
檢測到 SW2 焊接	閉合	開路 ? 閉合	閉合	閉合	$V_{A} = 1.6 V$	$V_{A} = 0 V$
檢測到 SW2 開路	閉合	閉合 ? 開路	閉合	閉合	$V_{A} = 0 V$	$V_{A} = 1.6 V$

結(jié)語

如本應(yīng)用簡報(bào)所述，實(shí)施 SSR 來測量和比較電壓是一種有效的焊接檢測解決方案。焊接問題在高壓交流和直流應(yīng)用中都很常見，有效檢測繼電器焊接對于確保系統(tǒng)的安全性和可靠性至關(guān)重要。本應(yīng)用簡報(bào)中使用了我們的 TPSI2140-Q1，因?yàn)檫@款隔離式開關(guān)具有高開關(guān)周期、快速開關(guān)速度和高可靠性。有關(guān)隔離和 SSR 的更多信息，請參閱如何使用固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)更可靠的隔離和更小的解決方案尺寸 技術(shù)文章。

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