【導讀】電動(dòng)汽車(chē)充電系統正在不斷發(fā)展。目前通常使用 400V 電池充電總線(xiàn)電壓的 AC Level 2 壁掛式充電盒正在向需要 800V 總線(xiàn)電壓的直流快速充電 (DCFC) 系統遷移。像碳化硅這樣的寬帶隙功率器件非常適合這些應用，與硅 IGBT 相比具有更低的傳導和開(kāi)關(guān)損耗。然而，SiC 更快的開(kāi)關(guān)速率以及更高的電壓會(huì )對柵極驅動(dòng)器電路提出一些獨特的要求。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹 Murata 產(chǎn)品經(jīng)理 Ann-Marie Bayliss 在近的 electronica 2022電源論壇上關(guān)于該公司用于此類(lèi)柵極驅動(dòng)應用的隔離式 DC/DC 轉換器的演講的某些方面。
傳感器劣化和診斷
雖然信號鏈集成是向前邁出的重要一步，但它本身并不能解決電化學(xué)氣體傳感器的根本缺點(diǎn)——在其使用壽命內性能下降?？梢岳斫獾氖?，這是傳感器工作原理和結構的結果。工作條件也會(huì )導致性能損失并加速傳感器老化。傳感器精度會(huì )降低，直到它變得不可靠并且不再適合完成其任務(wù)。在這種情況下，通常的做法是使儀器脫機并手動(dòng)檢查傳感器，這既耗時(shí)又昂貴。根據其狀況，傳感器可以重新校準并再次使用，或者可能需要更換。這會(huì )產(chǎn)生相當大的維護成本。通過(guò)利用電化學(xué)診斷技術(shù)，可以分析傳感器的健康狀況并有效地補償性能變化。
圖1.典型的電化學(xué)氣體傳感器信號鏈（簡(jiǎn)化）。
圖2.雙通道集成氣體傳感信號鏈（簡(jiǎn)化）。
圖3.在低相對濕度下加速壽命測試期間傳感器靈敏度（左圖）和阻抗（右圖）之間的相關(guān)性。
導致性能下降的常見(jiàn)因素包括溫度、濕度和氣體濃度過(guò)高或電極中毒。短時(shí)間暴露在升高的溫度（超過(guò) 50°C）下通常是可以接受的。但是，在高溫下反復對傳感器施加壓力會(huì )導致電解質(zhì)蒸發(fā)并對傳感器造成不可逆轉的損壞，例如導致基線(xiàn)讀數偏移或響應時(shí)間變慢。另一方面，極低的溫度（低于–30°C）會(huì )顯著(zhù)降低傳感器的靈敏度和響應能力。
到目前為止，濕度對傳感器壽命的影響最大。電化學(xué)氣體傳感器的理想工作條件是20°C和60%相對濕度。環(huán)境濕度低于60%會(huì )導致傳感器內部的電解液變干，從而影響響應時(shí)間。另一方面，濕度高于60%會(huì )導致空氣中的水被吸收到傳感器中，稀釋電解液并影響傳感器的特性。此外，吸水會(huì )導致傳感器泄漏，可能導致引腳腐蝕。
上述劣化機制會(huì )影響傳感器，即使它們的大小不是極端的。換句話(huà)說(shuō)，例如，電解質(zhì)耗盡是自然發(fā)生的，并導致傳感器老化。無(wú)論工作條件如何，老化過(guò)程都會(huì )限制傳感器的使用壽命，盡管某些 EC Sense 氣體傳感器的使用壽命可能超過(guò) 10 年。
可以使用電化學(xué)阻抗譜（EIS）或計時(shí)安培法（在觀(guān)察傳感器輸出的同時(shí)脈沖偏置電壓）等技術(shù)分析傳感器。
EIS是一種頻域分析測量，通過(guò)用正弦信號（通常是電壓）激勵電化學(xué)系統來(lái)進(jìn)行。在每個(gè)頻率下，記錄流過(guò)電化學(xué)電池的電流并用于計算電池的阻抗。然后，數據通常以奈奎斯特圖和波特圖的形式呈現。奈奎斯特圖顯示了復阻抗數據，其中每個(gè)頻率點(diǎn)由 x 軸上的實(shí)部和 y 軸上的虛部繪制。這種數據表示的主要缺點(diǎn)是丟失頻率信息。波特圖顯示了阻抗幅度和相位角與頻率的關(guān)系。
實(shí)驗測量表明，傳感器靈敏度下降與EIS測試結果的變化之間存在很強的相關(guān)性。圖3中的示例顯示了加速壽命測試的結果，其中電化學(xué)氣體傳感器在低濕度（10% RH）和升高的溫度（40°C）下承受應力。在整個(gè)實(shí)驗過(guò)程中，傳感器定期從環(huán)境室中取出并靜置一小時(shí)。然后使用已知目標氣體濃度進(jìn)行基線(xiàn)靈敏度測試和EIS測試。測試結果清楚地證明了傳感器靈敏度和阻抗之間的相關(guān)性。這種測量的缺點(diǎn)可能是它的長(cháng)度，因為在低、低于Hz的頻率下獲得測量非常耗時(shí)。
計時(shí)電流法（脈沖測試）是另一種有助于傳感器健康分析的技術(shù)。測量是通過(guò)施加疊加在傳感器偏置電壓上的電壓脈沖來(lái)完成的，同時(shí)觀(guān)察通過(guò)電化學(xué)電池的電流。脈沖幅度通常非常低（例如，1 mV）和短（例如，200 ms），因此傳感器本身不會(huì )受到干擾。這使得測試可以非常頻繁地進(jìn)行，同時(shí)保持氣體傳感儀器的正常運行。在執行更耗時(shí)的EIS測量之前，計時(shí)安培法可用于檢查傳感器是否物理插入設備，也可以作為傳感器性能變化的指示。傳感器對電壓脈沖的響應示例如圖4所示。
圖4.計時(shí)安培測試的示例結果。
以前的傳感器詢(xún)問(wèn)技術(shù)已經(jīng)在電化學(xué)中使用了幾十年。然而，這些測量所需的設備通常既昂貴又笨重。從實(shí)際和財務(wù)角度來(lái)看，使用這種設備根本不可能測試現場(chǎng)部署的大量氣體傳感器。為了實(shí)現遠程內置傳感器健康分析，診斷功能必須直接集成為信號鏈的一部分。
通過(guò)集成診斷，可以自主測試氣體傳感器，而無(wú)需人工交互。如果氣體傳感器在生產(chǎn)中進(jìn)行了表征，則可以將從傳感器獲得的數據與這些表征數據集進(jìn)行比較，并深入了解傳感器的當前狀況。然后，將使用智能算法來(lái)補償傳感器靈敏度的損失。此外，記錄傳感器的歷史記錄可能會(huì )使壽命終止預后成為可能，在傳感器需要更換時(shí)提醒用戶(hù)。內置診斷功能最終將減少氣體傳感系統的維護需求，并延長(cháng)傳感器的使用壽命。
工業(yè)應用的系統設計挑戰
特別是在工業(yè)環(huán)境中，安全性和可靠性至關(guān)重要。嚴格的法規已到位，以確保氣體傳感系統滿(mǎn)足這些要求，并在化工廠(chǎng)等惡劣的工業(yè)環(huán)境中運行時(shí)保持可靠、完整的功能。
電磁兼容性（EMC）是不同電子設備在共同的電磁環(huán)境中正常運行的能力，沒(méi)有相互干擾。例如，EMC中涉及的測試是輻射發(fā)射或輻射抗擾度。雖然輻射測試研究系統的不需要的排放以幫助減少它們，但輻射抗擾度測試檢查系統在存在其他系統干擾的情況下保持其功能的能力。
EC氣體傳感器的結構本身會(huì )對EMC性能產(chǎn)生負面影響。傳感器電極的作用類(lèi)似于天線(xiàn)，可以接收來(lái)自附近電子系統的干擾。這種影響在無(wú)線(xiàn)連接的氣體傳感設備（如便攜式工人安全儀器）中更為明顯。
EMC測試通常是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，最終可能需要在最終滿(mǎn)足要求之前迭代系統設計。這種測試大大增加了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本和時(shí)間。通過(guò)使用經(jīng)過(guò)預先測試以滿(mǎn)足EMC要求的集成信號鏈解決方案，可以減少時(shí)間和成本支出。
另一個(gè)嚴肅的考慮因素，也是一個(gè)技術(shù)挑戰，是功能安全。根據定義，功能安全是檢測潛在危險情況，從而激活保護或糾正機制以防止任何危險事件。然后，此安全功能提供的風(fēng)險降低的相對水平定義為安全完整性等級（SIL）。功能安全要求自然包含在行業(yè)標準中。
功能安全在工業(yè)氣體傳感應用中的重要性通常與可能存在爆炸性或易燃氣體的環(huán)境中的安全操作有關(guān)?；S(chǎng)或采礦設施是此類(lèi)應用的一個(gè)很好的例子。為了符合功能安全標準，系統必須符合功能安全，并達到令人滿(mǎn)意的安全完整性水平。
ADI公司的單芯片電化學(xué)測量系統
為了應對上述挑戰，使客戶(hù)能夠設計出更智能、更準確、更具競爭力的氣體傳感系統，制造商正在將傳感器接口和其他功能集成到微控制器中。例如，ADI公司的ADuCM355是一款單芯片電化學(xué)測量系統，面向氣體檢測和水分析應用（見(jiàn)圖5）。它集成了兩個(gè)電化學(xué)測量通道、一個(gè)用于傳感器診斷的阻抗測量引擎和一個(gè)超低功耗、混合信號 26 MHz ARMCortex-M3 微控制器，用于運行用戶(hù)應用以及傳感器診斷和補償算法。檢測微控制器的其他重要功能包括集成ADC、用于產(chǎn)生電化學(xué)電池偏置電壓的DAC、帶TIA放大器的低功耗和低噪聲恒電位儀以及集成溫度傳感器。
集成模擬硬件加速器模塊（即波形發(fā)生器、數字傅里葉變換模塊、數字濾波器）還可以簡(jiǎn)化傳感器診斷測量，如電化學(xué)阻抗譜和計時(shí)安培法。該系統可以在同一MCU上運行補償算法、存儲校準參數和運行用戶(hù)應用。MCU在設計時(shí)應考慮到EMC要求，并按照EN 50270等行業(yè)標準進(jìn)行預測試。
圖5.ADuCM355的簡(jiǎn)化功能框圖
兩個(gè)測量通道的可用性不僅支持最常見(jiàn)的 3 電極氣體傳感器，還支持 4 電極傳感器配置。第四個(gè)電極用于診斷目的，或者在雙氣體傳感器的情況下，用作第二個(gè)目標氣體的工作電極。任何恒電位儀也可以配置為休眠以降低功耗，同時(shí)保持傳感器偏置電壓，從而減少傳感器在正常運行之前可能需要建立的時(shí)間。對于不需要集成微控制器的應用，可以使用僅前端芯片，例如AD5940。
由于技術(shù)創(chuàng )新，我們現在擁有所有必要的知識和工具來(lái)有效應對直到最近還阻止電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)入無(wú)處不在傳感時(shí)代的技術(shù)挑戰。從低成本的無(wú)線(xiàn)空氣質(zhì)量監測器到過(guò)程控制和工人安全應用，信號鏈集成和內置診斷功能將使這些傳感器得到廣泛使用，同時(shí)減少維護需求，提高精度，延長(cháng)傳感器壽命并降低成本。
(來(lái)源：中電網(wǎng)，作者：Michal Raninec ）
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