【導讀】電動汽車充電係統正在不斷發展。目前通常使用 400V 電池充電總線電壓的 AC Level 2 壁掛式充電盒正在向需要 800V 總線電壓的直流快速充電 (DCFC) 係統遷移。像碳化矽這樣的寬帶隙功率器件非常適合這些應用，與矽 IGBT 相比具有更低的傳導和開關損耗。然而，SiC 更快的開關速率以及更高的電壓會對柵極驅動器電路提出一些獨特的要求。在本文中，我們將重點介紹 Murata 產品經理 Ann-Marie Bayliss 在近的 electronica 2022電源論壇上關於該公司用於此類柵極驅動應用的隔離式 DC/DC 轉換器的演講的某些方麵。

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
，但它本身並不能解決電化學氣體傳感器的根本缺點——在(zai)其(qi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)內(nei)性(xing)能(neng)下(xia)降(jiang)。可(ke)以(yi)理(li)解(jie)的(de)是(shi)，這(zhe)是(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)和(he)結(jie)構(gou)的(de)結(jie)果(guo)。工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)也(ye)會(hui)導(dao)致(zhi)性(xing)能(neng)損(sun)失(shi)並(bing)加(jia)速(su)傳(chuan)感(gan)器(qi)老(lao)化(hua)。傳(chuan)感(gan)器(qi)精(jing)度(du)會(hui)降(jiang)低(di)
，直(zhi)到(dao)它(ta)變(bian)得(de)不(bu)可(ke)靠(kao)並(bing)且(qie)不(bu)再(zai)適(shi)合(he)完(wan)成(cheng)其(qi)任(ren)務(wu)。在(zai)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)下(xia)，通(tong)常(chang)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)使(shi)儀(yi)器(qi)脫(tuo)機(ji)並(bing)手(shou)動(dong)檢(jian)查(zha)傳(chuan)感(gan)器(qi)，這(zhe)既(ji)耗(hao)時(shi)又(you)昂(ang)貴(gui)。根(gen)據(ju)其(qi)狀(zhuang)況(kuang)，傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)重(zhong)新(xin)校(xiao)準(zhun)並(bing)再(zai)次(ci)使(shi)用(yong)，或(huo)者(zhe)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)更(geng)換(huan)。這(zhe)會(hui)產(chan)生(sheng)相(xiang)當(dang)大(da)的(de)維(wei)護(hu)成(cheng)本(ben)。通(tong)過(guo)利(li)用(yong)電(dian)化(hua)學(xue)診(zhen)斷(duan)技(ji)術(shu)
，可(ke)以(yi)分(fen)析(xi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)健(jian)康(kang)狀(zhuang)況(kuang)並(bing)有(you)效(xiao)地(di)補(bu)償(chang)性(xing)能(neng)變(bian)化(hua)。

圖1.典型的電化學氣體傳感器信號鏈（簡化）。

圖2.雙通道集成氣體傳感信號鏈（簡化）。

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）之間的相關性。

導致性能下降的常見因素包括溫度
、濕度和氣體濃度過高或電極中毒。短時間暴露在升高的溫度（超過 50°C）xiatongchangshikeyijieshoude。danshi，zaigaowenxiafanfuduichuanganqishijiayalihuidaozhidianjiezhizhengfabingduichuanganqizaochengbukenizhuandesunhuai，lirudaozhijixiandushupianyihuoxiangyingshijianbianman。lingyifangmian，jididewendu（低於–30°C）會顯著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。電化學氣體傳感器的理想工作條件是20°C和60%相對濕度。環境濕度低於60%會導致傳感器內部的電解液變幹，從而影響響應時間。另一方麵，濕度高於60%會導致空氣中的水被吸收到傳感器中，稀釋電解液並影響傳感器的特性。此外，吸水會導致傳感器泄漏，可能導致引腳腐蝕。

shangshuliehuajizhihuiyingxiangchuanganqi，jishitamendedaxiaobushijiduande。huanjuhuashuo，liru
，dianjiezhihaojinshiziranfashengde，bingdaozhichuanganqilaohua。wulungongzuotiaojianruhe，laohuaguochengdouhuixianzhichuanganqideshiyongshouming，jinguanmouxie EC Sense 氣體傳感器的使用壽命可能超過 10 年。

可以使用電化學阻抗譜（EIS）或計時安培法（在觀察傳感器輸出的同時脈衝偏置電壓）等技術分析傳感器。

EIS是一種頻域分析測量，通過用正弦信號（通常是電壓）激ji勵li電dian化hua學xue係xi統tong來lai進jin行xing。在zai每mei個ge頻pin率lv下xia，記ji錄lu流liu過guo電dian化hua學xue電dian池chi的de電dian流liu並bing用yong於yu計ji算suan電dian池chi的de阻zu抗kang。然ran後hou，數shu據ju通tong常chang以yi奈nai奎kui斯si特te圖tu和he波bo特te圖tu的de形xing式shi呈cheng現xian。奈nai奎kui斯si特te圖tu顯xian示shi了le複fu阻zu抗kang數shu據ju，其qi中zhong每mei個ge頻pin率lv點dian由you x 軸上的實部和 y 軸上的虛部繪製。這種數據表示的主要缺點是丟失頻率信息。波特圖顯示了阻抗幅度和相位角與頻率的關係。

實驗測量表明
，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性。圖3中的示例顯示了加速壽命測試的結果
，其中電化學氣體傳感器在低濕度（10% RH）和升高的溫度（40°C）下承受應力。在整個實驗過程中
，傳感器定期從環境室中取出並靜置一小時。然後使用已知目標氣體濃度進行基線靈敏度測試和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性。這種測量的缺點可能是它的長度
，因為在低
、低於Hz的頻率下獲得測量非常耗時。

計時電流法（脈衝測試）是(shi)另(ling)一(yi)種(zhong)有(you)助(zhu)於(yu)傳(chuan)感(gan)器(qi)健(jian)康(kang)分(fen)析(xi)的(de)技(ji)術(shu)。測(ce)量(liang)是(shi)通(tong)過(guo)施(shi)加(jia)疊(die)加(jia)在(zai)傳(chuan)感(gan)器(qi)偏(pian)置(zhi)電(dian)壓(ya)上(shang)的(de)電(dian)壓(ya)脈(mai)衝(chong)來(lai)完(wan)成(cheng)的(de)，同(tong)時(shi)觀(guan)察(cha)通(tong)過(guo)電(dian)化(hua)學(xue)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)流(liu)。脈(mai)衝(chong)幅(fu)度(du)通(tong)常(chang)非(fei)常(chang)低(di)（例如，1 mV）和短（例如，200 ms）
，因此傳感器本身不會受到幹擾。這使得測試可以非常頻繁地進行，同時保持氣體傳感儀器的正常運行。在執行更耗時的EIS測量之前
，計時安培法可用於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。傳感器對電壓脈衝的響應示例如圖4所示。

圖4.計時安培測試的示例結果。

yiqiandechuanganqixunwenjishuyijingzaidianhuaxuezhongshiyonglejishinian。raner
，zhexieceliangsuoxudeshebeitongchangjiangguiyoubenzhong。congshijihecaiwujiaodulaikan，shiyongzhezhongshebeigenbenbukenengceshixianchangbushudedaliangqitichuanganqi。weileshixianyuanchengneizhichuanganqijiankangfenxi，zhenduangongnengbixuzhijiejichengweixinhaoliandeyibufen。

通tong過guo集ji成cheng診zhen斷duan
，可ke以yi自zi主zhu測ce試shi氣qi體ti傳chuan感gan器qi，而er無wu需xu人ren工gong交jiao互hu。如ru果guo氣qi體ti傳chuan感gan器qi在zai生sheng產chan中zhong進jin行xing了le表biao征zheng，則ze可ke以yi將jiang從cong傳chuan感gan器qi獲huo得de的de數shu據ju與yu這zhe些xie表biao征zheng數shu據ju集ji進jin行xing比bi較jiao，並bing深shen入ru了le解jie傳chuan感gan器qi的de當dang前qian狀zhuang況kuang。然ran後hou，將jiang使shi用yong智zhi能neng算suan法fa來lai補bu償chang傳chuan感gan器qi靈ling敏min度du的de損sun失shi。此ci外wai，記ji錄lu傳chuan感gan器qi的de曆li史shi記ji錄lu可ke能neng會hui使shi壽shou命ming終zhong止zhi預yu後hou成cheng為wei可ke能neng
，在zai傳chuan感gan器qi需xu要yao更geng換huan時shi提ti醒xing用yong戶hu。內nei置zhi診zhen斷duan功gong能neng最zui終zhong將jiang減jian少shao氣qi體ti傳chuan感gan係xi統tong的de維wei護hu需xu求qiu

，並bing延yan長chang傳chuan感gan器qi的de使shi用yong壽shou命ming。

工業應用的係統設計挑戰

特te別bie是shi在zai工gong業ye環huan境jing中zhong，安an全quan性xing和he可ke靠kao性xing至zhi關guan重zhong要yao。嚴yan格ge的de法fa規gui已yi到dao位wei
，以yi確que保bao氣qi體ti傳chuan感gan係xi統tong滿man足zu這zhe些xie要yao求qiu
，並bing在zai化hua工gong廠chang等deng惡e劣lie的de工gong業ye環huan境jing中zhong運yun行xing時shi保bao持chi可ke靠kao、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境中正常運行的能力，沒有相互幹擾。例如
，EMC中(zhong)涉(she)及(ji)的(de)測(ce)試(shi)是(shi)輻(fu)射(she)發(fa)射(she)或(huo)輻(fu)射(she)抗(kang)擾(rao)度(du)。雖(sui)然(ran)輻(fu)射(she)測(ce)試(shi)研(yan)究(jiu)係(xi)統(tong)的(de)不(bu)需(xu)要(yao)的(de)排(pai)放(fang)以(yi)幫(bang)助(zhu)減(jian)少(shao)它(ta)們(men)

，但(dan)輻(fu)射(she)抗(kang)擾(rao)度(du)測(ce)試(shi)檢(jian)查(zha)係(xi)統(tong)在(zai)存(cun)在(zai)其(qi)他(ta)係(xi)統(tong)幹(gan)擾(rao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)保(bao)持(chi)其(qi)功(gong)能(neng)的(de)能(neng)力(li)。

EC氣體傳感器的結構本身會對EMC性能產生負麵影響。傳感器電極的作用類似於天線
，可以接收來自附近電子係統的幹擾。這種影響在無線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(ce)試(shi)通(tong)常(chang)是(shi)一(yi)個(ge)非(fei)常(chang)耗(hao)時(shi)的(de)過(guo)程(cheng)，最(zui)終(zhong)可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)在(zai)最(zui)終(zhong)滿(man)足(zu)要(yao)求(qiu)之(zhi)前(qian)迭(die)代(dai)係(xi)統(tong)設(she)計(ji)。這(zhe)種(zhong)測(ce)試(shi)大(da)大(da)增(zeng)加(jia)了(le)產(chan)品(pin)開(kai)發(fa)的(de)成(cheng)本(ben)和(he)時(shi)間(jian)。通(tong)過(guo)使(shi)用(yong)經(jing)過(guo)預(yu)先(xian)測(ce)試(shi)以(yi)滿(man)足(zu)EMC要求的集成信號鏈解決方案
，可以減少時間和成本支出。

另(ling)一(yi)個(ge)嚴(yan)肅(su)的(de)考(kao)慮(lv)因(yin)素(su)，也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)

，是(shi)功(gong)能(neng)安(an)全(quan)。根(gen)據(ju)定(ding)義(yi)
，功(gong)能(neng)安(an)全(quan)是(shi)檢(jian)測(ce)潛(qian)在(zai)危(wei)險(xian)情(qing)況(kuang)
，從(cong)而(er)激(ji)活(huo)保(bao)護(hu)或(huo)糾(jiu)正(zheng)機(ji)製(zhi)以(yi)防(fang)止(zhi)任(ren)何(he)危(wei)險(xian)事(shi)件(jian)。然(ran)後(hou)
，此(ci)安(an)全(quan)功(gong)能(neng)提(ti)供(gong)的(de)風(feng)險(xian)降(jiang)低(di)的(de)相(xiang)對(dui)水(shui)平(ping)定(ding)義(yi)為(wei)安(an)全(quan)完(wan)整(zheng)性(xing)等(deng)級(ji)（SIL）。功能安全要求自然包含在行業標準中。

功gong能neng安an全quan在zai工gong業ye氣qi體ti傳chuan感gan應ying用yong中zhong的de重zhong要yao性xing通tong常chang與yu可ke能neng存cun在zai爆bao炸zha性xing或huo易yi燃ran氣qi體ti的de環huan境jing中zhong的de安an全quan操cao作zuo有you關guan。化hua工gong廠chang或huo采cai礦kuang設she施shi是shi此ci類lei應ying用yong的de一yi個ge很hen好hao的de例li子zi。為wei了le符fu合he功gong能neng安an全quan標biao準zhun，係xi統tong必bi須xu符fu合he功gong能neng安an全quan，並bing達da到dao令ling人ren滿man意yi的de安an全quan完wan整zheng性xing水shui平ping。

ADI公司的單芯片電化學測量係統

為了應對上述挑戰
，使客戶能夠設計出更智能
、更準確、更具競爭力的氣體傳感係統，製造商正在將傳感器接口和其他功能集成到微控製器中。例如
，ADI公司的ADuCM355是一款單芯片電化學測量係統，麵向氣體檢測和水分析應用（見圖5）。它集成了兩個電化學測量通道、一個用於傳感器診斷的阻抗測量引擎和一個超低功耗、混合信號 26 MHz ARMCortex-M3 微控製器
，用於運行用戶應用以及傳感器診斷和補償算法。檢測微控製器的其他重要功能包括集成ADC、用於產生電化學電池偏置電壓的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（即波形發生器、數字傅裏葉變換模塊、數字濾波器）還可以簡化傳感器診斷測量
，如電化學阻抗譜和計時安培法。該係統可以在同一MCU上運行補償算法

、存儲校準參數和運行用戶應用。MCU在設計時應考慮到EMC要求，並按照EN 50270等行業標準進行預測試。

圖5.ADuCM355的簡化功能框圖

兩個測量通道的可用性不僅支持最常見的 3 電極氣體傳感器

，還支持 4 電dian極ji傳chuan感gan器qi配pei置zhi。第di四si個ge電dian極ji用yong於yu診zhen斷duan目mu的de，或huo者zhe在zai雙shuang氣qi體ti傳chuan感gan器qi的de情qing況kuang下xia
，用yong作zuo第di二er個ge目mu標biao氣qi體ti的de工gong作zuo電dian極ji。任ren何he恒heng電dian位wei儀yi也ye可ke以yi配pei置zhi為wei休xiu眠mian以yi降jiang低di功gong耗hao
，同tong時shi保bao持chi傳chuan感gan器qi偏pian置zhi電dian壓ya
，從cong而er減jian少shao傳chuan感gan器qi在zai正zheng常chang運yun行xing之zhi前qian可ke能neng需xu要yao建jian立li的de時shi間jian。對dui於yu不bu需xu要yao集ji成cheng微wei控kong製zhi器qi的de應ying用yong，可ke以yi使shi用yong僅jin前qian端duan芯xin片pian，例li如ruAD5940。

由(you)於(yu)技(ji)術(shu)創(chuang)新(xin)，我(wo)們(men)現(xian)在(zai)擁(yong)有(you)所(suo)有(you)必(bi)要(yao)的(de)知(zhi)識(shi)和(he)工(gong)具(ju)來(lai)有(you)效(xiao)應(ying)對(dui)直(zhi)到(dao)最(zui)近(jin)還(hai)阻(zu)止(zhi)電(dian)化(hua)學(xue)氣(qi)體(ti)傳(chuan)感(gan)器(qi)進(jin)入(ru)無(wu)處(chu)不(bu)在(zai)傳(chuan)感(gan)時(shi)代(dai)的(de)技(ji)術(shu)挑(tiao)戰(zhan)。從(cong)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)無(wu)線(xian)空(kong)氣(qi)質(zhi)量(liang)監(jian)測(ce)器(qi)到(dao)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)和(he)工(gong)人(ren)安(an)全(quan)應(ying)用(yong)，信(xin)號(hao)鏈(lian)集(ji)成(cheng)和(he)內(nei)置(zhi)診(zhen)斷(duan)功(gong)能(neng)將(jiang)使(shi)這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)得(de)到(dao)廣(guang)泛(fan)使(shi)用(yong)


，同(tong)時(shi)減(jian)少(shao)維(wei)護(hu)需(xu)求(qiu)，提(ti)高(gao)精(jing)度(du)
，延(yan)長(chang)傳(chuan)感(gan)器(qi)壽(shou)命(ming)並(bing)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。

(來源：中電網，作者：Michal Raninec ）

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