高壓系統(tǒng)中的隔離

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李寧遠）不管是在汽車應(yīng)用里需要通過隔離手段將敏感的電子元器件與快速瞬變高壓組件進行分隔，還是在工業(yè)應(yīng)用里需要各種方法來應(yīng)對高壓浪涌、高接地電位差并保護共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)，隔離在任何高電壓系統(tǒng)中都是首先要考慮且必要的。

將范圍擴大一點說，從汽車、工廠自動化、電網(wǎng)等常見的高壓場景到樓宇自動化、醫(yī)療設(shè)備、消費電子產(chǎn)品等相對低壓場景，任何需要可靠運行的場景里，隔離都是確保系統(tǒng)可靠運行的必要手段。

隨著工業(yè)電子系統(tǒng)、汽車電子系統(tǒng)這些高壓系統(tǒng)不斷升級，隔離手段也并非一成不變。每一次高壓系統(tǒng)的變化都會帶來新的隔離需求，甚至可以說是挑戰(zhàn)。以現(xiàn)在經(jīng)常提到的電動汽車系統(tǒng)為例，新一代電動汽車正從400V電池系統(tǒng)向800V過渡，電壓的提升讓本就復(fù)雜的汽車電子系統(tǒng)里的隔離挑戰(zhàn)難度更上了一個臺階。

高電壓中的電隔離問題

要在這些高壓系統(tǒng)中構(gòu)建起可靠的隔離，要考慮的因素很多，CMTI、EMI、爬電距離、電氣間隙等等。CMTI，關(guān)注隔離能力時最受關(guān)注的指標(biāo)，代表了隔離器件在高速瞬變情況下可靠運作的能力。

隨著寬帶隙半導(dǎo)體得越來越普及，出現(xiàn)了更高瞬變電壓的邊沿速率，這讓CMTI更加重要。較低的CMTI在更高的瞬變電壓邊沿速率下，會使器件運行不穩(wěn)定甚至直接丟失完整的信號。

在這種高電壓系統(tǒng)中，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)基本都需要增強型級別的隔離等級，屬于電擊防護等級等效于雙重絕緣的單一絕緣系統(tǒng)，是高電壓系統(tǒng)的最高商用等級。與基本的隔離相比，這種級別要求的強制局部放電測試電壓更高，而且與基礎(chǔ)性隔離故障率1000ppm相比，其壽命期故障率規(guī)定更嚴(yán)格，僅為1ppm。這是IEC標(biāo)準(zhǔn)對增強型數(shù)字容耦/磁耦的要求，對于增強型隔離的光耦，IEC標(biāo)準(zhǔn)并未定義。

在高壓類應(yīng)用中，出色的隔離技術(shù)能夠帶來器件超高的工作電壓環(huán)境以及足夠的可靠性，同時也需要顧及尺寸和成本。這里面封裝和材料至關(guān)重要，更好的模塑化合物和更寬的封裝才能實現(xiàn)更高的隔離等級。

總的來看，不管是在IC級別的隔離還是整個系統(tǒng)級別的隔離，高電壓系統(tǒng)的隔離總是要在更小的IC封裝尺寸、更高的集成度、低EMI、高效率的需求之間去做權(quán)衡取舍。

實現(xiàn)增強型電隔離

IEC標(biāo)準(zhǔn)對增強型數(shù)字容耦/磁耦的要求很清晰，而對于增強型隔離的光耦，IEC標(biāo)準(zhǔn)并未在壽命期、故障率和允許使用的隔離材料上做定義。

事實上在高電壓系統(tǒng)里，光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強度都偏低，想要靠光耦實現(xiàn)高級別的隔離要通過更多的物理分割，大部分情況下CMTI也小于容耦和磁耦。一般來說，光耦僅用于傳輸數(shù)據(jù)，而且可以達到很高的數(shù)據(jù)速率，這也是犧牲功耗和CMTI換來的。

最常見的增強型的電隔離還是容耦和磁耦，兩種技術(shù)各有千秋。由于電容天生就能阻斷直流信號，電容隔離器能實現(xiàn)高階調(diào)制，壽命長、功耗低、傳輸速率也不錯，多層電容和多層鈍化技術(shù)也相對提高了容耦在高壓浪涌上的可靠性。磁隔離則在需要高頻DCDC電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中獨領(lǐng)風(fēng)騷，改善傳輸延遲和延遲偏差這是其他隔離技術(shù)沒辦法實現(xiàn)的。

高壓系統(tǒng)隔離集成趨勢

在高壓類應(yīng)用中，出色的隔離技術(shù)需要顧及尺寸和成本。從隔離器件本身的集成度來說，電容隔離和磁隔離最大優(yōu)勢之一是能夠?qū)⑵渌到y(tǒng)要求集成到同一個封裝中，這就省去了很多分立組件。光耦的各類分立元件如電阻器、電容器、二極管等等肯定不如集成后的隔離器件在成本和尺寸上的優(yōu)勢。

從高壓系統(tǒng)隔離設(shè)計上看，集成也是隔離器件在實際應(yīng)用中的大趨勢。在電動汽車的BMS里，能集成電源和信號傳輸?shù)母綦x器件能更好地縮小尺寸降低成本，縮小后的隔離式電源傳輸直接納入IC尺寸的封裝中，實現(xiàn)隔離式DCDC電源轉(zhuǎn)換，降低EMI風(fēng)險的同時體積也減少了不少。

在電機驅(qū)動器、光伏逆變器、汽車充電器、牽引逆變器上，SiC和GaN的應(yīng)用越來越多，這需要更準(zhǔn)確快速可靠的故障檢測來診斷交流電力線波動和電氣過載，確保高壓系統(tǒng)環(huán)境穩(wěn)定。隔離器件集成比較器，對雙向過流、過壓以及過熱進行隔離式的檢測，不僅響應(yīng)時間快，也能有效保護SiC和GaN晶體管。

小結(jié)

在高電壓系統(tǒng)中，增強型隔離既保護低電壓電路免受高電壓故障影響，又能中斷接地回路來保持信號完整性。高壓系統(tǒng)中不同技術(shù)的隔離器件在更小的封裝尺寸、更高的集成度下發(fā)揮出了更多作用。