如何設(shè)計(jì)可靠性更高、尺寸更小、成本更低的高電壓系統(tǒng)解決方案

工廠自動(dòng)化設(shè)備、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)汽車 (EV) 等高電壓工業(yè)和汽車系統(tǒng)能夠產(chǎn)生數(shù)百至數(shù)千伏的電壓，這不僅會(huì)縮短設(shè)備壽命，甚至?xí)o人身安全帶來重大風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹如何利用全新隔離技術(shù)來保證這些高電壓系統(tǒng)的安全，從而提高可靠性，同時(shí)縮小解決方案尺寸并降低成本。

隔離方法

集成電路 (IC) 實(shí)現(xiàn)隔離的方式是阻斷直流和低頻交流電流，而允許電源、模擬信號或高速數(shù)字信號通過隔離柵傳輸。圖1展示了三種用于實(shí)現(xiàn)隔離的常用半導(dǎo)體技術(shù)：光學(xué)（光耦合器）、電場信號傳輸（電容式）和磁場耦合（變壓器）。

(a)

(b)

(c)

圖 1：半導(dǎo)體隔離技術(shù)：光耦合器 (a)；電容式 (b)；變壓器 (c)

TI 利用電容隔離技術(shù)和專有集成平面變壓器（磁隔離），以及先進(jìn)的封裝和工藝技術(shù)，力求提升我們大型且品類齊全的隔離式 IC 產(chǎn)品系列的可靠性、集成度和性能。

利用可靠隔離技術(shù)克服高電壓設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

電容隔離

電容隔離技術(shù)基于穿過電介質(zhì)的交流信號傳輸。TI 的電容隔離器使用介電強(qiáng)度很高的 SiO₂ 電介質(zhì)構(gòu)建。因?yàn)镾iO₂為無機(jī)材料，所以在不同濕度和溫度條件下都非常穩(wěn)定。 此外，我們專有的多層電容器和多層鈍化方法可降低高電壓性能對任何單層的依賴，從而提高隔離器的質(zhì)量和可靠性。我們的電容技術(shù)支持的工作電壓 (VIOWM) 為2kVRMS，可承受的隔離電壓 (VISO) 為7.5kVRMS，并且能夠承受12.8kVPK的浪涌電壓。

磁隔離

磁隔離通常用于需要高頻直流/直流電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。IC變壓器耦合隔離的一個(gè)優(yōu)勢是可以傳輸超過數(shù)百毫瓦的功率，通常無需次級側(cè)偏置電源。也可以使用磁隔離來發(fā)送高頻信號。在需要同時(shí)輸送電力和傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，您可以使用相同的變壓器繞組線圈來滿足功率和信號需求，如圖2所示。將信號和電力輸送功能結(jié)合到同一集成變壓器線圈上，可以充分降低解決方案的成本并縮小尺寸。TPSI3050-Q1 和 TPSI3052-Q1 就是把數(shù)據(jù)傳輸和電力輸送結(jié)合在同一變壓器通道上。

圖2：使用磁隔離通過隔離柵可靠地輸送電力和信號

對于磁隔離，TI使用專有多芯片模塊方法，協(xié)同封裝高性能平面變壓器與隔離式功率級和專用控制器裸片。我們可以使用高性能鐵氧體磁芯來構(gòu)建這些變壓器，以便提高耦合和變壓器效率，也可以在電力輸送需求不高的應(yīng)用中使用空芯，從而節(jié)省成本并降低復(fù)雜性。 

可靠地滿足隔離需求，同時(shí)縮小解決方案尺寸并降低成本。

不同應(yīng)用所需的隔離方法不盡相同。我們來看幾個(gè)例子，了解TI的IC如何幫助滿足電動(dòng)汽車和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的高電壓隔離需求，請查看如何使用SSR實(shí)現(xiàn)更高可靠性的隔離和更小的解決方案尺寸。

電動(dòng)汽車應(yīng)用

為減輕重量、增加扭矩、提高效率并加快充電速度，電動(dòng)汽車高電壓電池組的電平從 400V增加到800V，甚至高達(dá)1kV。電池管理系統(tǒng) (BMS) 和牽引逆變器是兩個(gè)非常關(guān)鍵的電動(dòng)汽車子系統(tǒng)，需要將800V域與底盤隔離，從而確保乘客及其車輛的安全。

圖3所示框圖是牽引逆變器的示例，在三相直流轉(zhuǎn)交流逆變器配置中，該牽引逆變器使用隔離柵極驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)高電壓絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或碳化硅 (SiC) 模塊。這些模塊可協(xié)同封裝多達(dá)六個(gè)IGBT或SiC開關(guān)，至多需要六個(gè)隔離變壓器，為六個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)器IC供電。我們的 UCC14240-Q1 是一款雙輸出、中電壓、隔離直流/直流電源模塊，可在牽引逆變器、柵極驅(qū)動(dòng)器偏置應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的性能，同時(shí)通過減少外部變壓器的數(shù)量來充分縮小PCB面積。

圖 3：典型的牽引逆變器系統(tǒng)方框圖

此外，將高電壓電池端子連接到子系統(tǒng)時(shí)，BMS使用預(yù)充電電路。我們的5kVRMS TPSI3050-Q1 隔離開關(guān)驅(qū)動(dòng)器旨在取代機(jī)械預(yù)充電接觸器，實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的固態(tài)解決方案。該器件可提供高達(dá)5kVRMS 的增強(qiáng)型隔離，工作壽命為機(jī)電繼電器的10倍，且不像機(jī)電繼電器那樣容易隨著時(shí)間的推移而退化。圖4說明了 TPSI3050-Q1 與機(jī)械繼電器相比所能節(jié)省的面積。

圖 4：使用基于磁隔離的固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)器 (TPSI3050) 縮小解決方案尺寸

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用

隔離是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的必備要素，它能夠保護(hù)設(shè)備和人員免受高壓浪涌的損害，消除互連時(shí)涉及較大接地電位差 (GPD) 的破壞性接地回路，并在共模瞬態(tài)事件期間保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。

太陽能設(shè)備和電動(dòng)汽車充電器的工作電壓范圍為200V至1,500V或更高。圖4所示為我們高壓電動(dòng)汽車充電和太陽能中的絕緣監(jiān)測AFE參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)使用我們的 AMC3330 精密隔離放大器和 TPSI2140-Q1 隔離開關(guān)，在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中監(jiān)測絕緣電阻。由于沒有移動(dòng)器件，這種固態(tài)繼電器解決方案可以執(zhí)行數(shù)十年的頻繁測量，且不會(huì)降低性能。電力和信號均可通過TPSI2140-Q1內(nèi)的隔離柵輸送，因此無需次級側(cè)偏置電源。由于該器件采用薄型小尺寸IC (SOIC)封裝，因此解決方案尺寸可以比基于光繼電器或機(jī)械繼電器的解決方案小50%。

圖5：高壓電動(dòng)汽車充電和太陽能中的絕緣監(jiān)測AFE方框圖

結(jié)語

TI將更多功能集成到隔離技術(shù)中，助力工程師在電動(dòng)汽車和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用中保持解決方案的安全性，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、縮小解決方案尺寸并降低成本。請參閱 ti.com/isolationtechnology，了解我們?nèi)绾螖U(kuò)展電容和磁隔離技術(shù)來添加更多模擬功能。

其他參考資料

·       有關(guān)TI高電壓隔離電容器可靠性的更多信息，請閱讀白皮書“實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和可靠的高電壓信號隔離”。

·       查看應(yīng)用簡報(bào)，《如何簡化隔離式24V PLC數(shù)字輸入模塊設(shè)計(jì)》。

·       了解基本的隔離參數(shù)、認(rèn)證以及如何使用各類隔離IC進(jìn)行設(shè)計(jì)和故障排除，請觀看 TI高精度實(shí)驗(yàn)室 - 隔離培訓(xùn)系列。