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ZHCAEB9 August 2024 TPSI2140-Q1

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引言

當機械繼電器承受高浪涌電流和電壓時，可能產生電弧，進而引起繼電器觸點熔化并粘結在一起，這時便會發生繼電器焊接。為了保持系統的安全性和可靠性，有效檢測繼電器焊接至關重要。在許多采用高電壓的交流與直流應用領域中，例如電動汽車 (EV)，焊接問題屢見不鮮。

EV 領域采用高壓接觸器來給車輛充電，因此電路中產生的電弧可能導致機械繼電器發生焊接。與機械繼電器不同，固態繼電器 (SSR) 沒有活動部件，因此非常適合用于診斷焊接檢測。本應用簡報以 EV BMS 為例，討論了如何實施 SSR 來檢測繼電器焊接。有關 EV 充電器中焊接檢測的詳細信息，請參閱 L1 和 L2 電動汽車充電器的電動汽車服務設備設計注意事項。

焊接檢測原理圖

在 EV 架構中，隔離式開關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的問題。圖 1 展示了 TPSI2140-Q1 的 MCU 級實現原理圖，這款汽車級隔離式開關可通過來自 MCU 的低壓信號控制高壓負載，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，必須在機械繼電器之后測量電壓。這樣，可以根據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，測量機械繼電器兩端節點處的電壓，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。開關閉合后，HV+ 和 HV- 之間會短暫產生電壓差，以便能夠進行電壓測量。然后，可以將這些電壓與機械繼電器正常工作時的預期值進行比較，從而檢測是否存在故障。如果在節點處進行的測量結果顯示檢測到焊接或開路，MCU 可以進行干預來保護系統。

圖 2 繼電器焊接檢測原理圖

隔離式開關需要以多種不同的組合閉合來創建不同的環路，從而以節點 B 作為參考接地來測量不同的節點。有關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 繼電器正常工作時的診斷表

診斷	SW1	SW2	SSR1	SSR2	預期電壓值
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	$V_{A} = 0 V \times \frac{R_{DIV 2}}{R_{DIV 2} + R_{DIV 1}}$

設計說明

為 RDIV1 選擇一個明顯大于 RDIV2 的電阻值，以便創建一個合適的分壓器，使得測得的電壓值容易區分。
選擇合適的電阻值，以確保計算得出的分壓器值位于 ADC 滿量程范圍內。
測量電壓時以節點 B 作為參考接地，因為其他節點可能處于懸空狀態。

應用示例

選擇 RDIV1 和 RDIV2 的值?？墒褂蒙媳碇械碾妷汗剑聪蛴嬎闼璧碾娮柚祦磉x擇合適的電阻值。
在這個電動汽車主接觸器的應用示例中，假設使用 800V 電池和 3.3V MCU，因為這些是行業中的常見標準。選擇的電阻值如下：
1. RDIV1 = 1M?
2. RDIV2 = 2k?
當繼電器的物理完整性受到影響時，節點的電壓值將會與正常運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）的預期值進行比較。如果檢測到焊接或開路，MCU 會進行干預以保護系統。

表 2 顯示了繼電器物理完整性受到影響時的一些示例結果，箭頭指示了焊接或開路對機械繼電器的狀態有何影響：

表 2 繼電器物理完整性受損時的診斷表

診斷	SW1	SW2	SSR1	SSR2	預期電壓值	物理完整性受損時的電壓值
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	$V_{A} = 0 V$	$V_{A} = 1.6 V$

結語

如本應用簡報所述，實施 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用中都很常見，有效檢測繼電器焊接對于確保系統的安全性和可靠性至關重要。本應用簡報中使用了我們的 TPSI2140-Q1，因為這款隔離式開關具有高開關周期、快速開關速度和高可靠性。有關隔離和 SSR 的更多信息，請參閱如何使用固態繼電器實現更可靠的隔離和更小的解決方案尺寸 技術文章。