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(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹如何利用全新隔離技術(shù)來(lái)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(hào)或高速數(shù)字信號(hào)通過(guò)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(chǎng)信號(hào)傳輸（電容式）和磁場(chǎng)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(guò)電介質(zhì)的交流信號(hào)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(wú)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(duì)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(shì)是可以傳輸超過(guò)數(shù)百毫瓦的功率，通常無(wú)需次級(jí)側(cè)偏置電源。也可以使用磁隔離來(lái)發(fā)送高頻信號(hào)。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(lái)滿足功率和信號(hào)需求，如圖2所示。將信號(hào)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(guò)隔離柵可靠地輸送電力和信號(hào)

對(duì)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(jí)和專用控制器裸片。我們可以使用高性能鐵氧體磁芯來(lái)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(lái)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(qǐng)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(pán)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(lái)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(kāi)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(guò)減少外部變壓器的數(shù)量來(lái)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(kāi)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(shuō)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(yáng)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(yáng)能中的絕緣監(jiān)測(cè)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(kāi)關(guān)，在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中監(jiān)測(cè)絕緣電阻。由于沒(méi)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(cè)量，且不會(huì)降低性能。電力和信號(hào)均可通過(guò)TPSI2140-Q1內(nèi)的隔離柵輸送，因此無(wú)需次級(jí)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(yáng)能中的絕緣監(jiān)測(cè)AFE方框圖

結(jié)語(yǔ)

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(qǐng)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(lái)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(qǐng)閱讀白皮書(shū)“實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量和可靠的高電壓信號(hào)隔離”。

·       查看應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)，《如何簡(jiǎn)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(qǐng)觀看 TI高精度實(shí)驗(yàn)室 - 隔離培訓(xùn)系列。