如何設計具有更高可靠性的高壓系統(tǒng)，同時減小解決方案尺寸和成本

高壓工業(yè)和汽車系統(tǒng)，如工廠自動化設備、電網(wǎng)基礎設施應用、電機驅動和電動汽車 （EV），可以產(chǎn)生數(shù)百到數(shù)千伏的電壓，這對人類構成重大安全風險，并可能縮短設備壽命。本文介紹如何利用最新的隔離技術來提高可靠性，同時減小解決方案尺寸和成本，從而確保這些高壓系統(tǒng)的安全。

隔離方法

集成電路 （IC） 通過阻斷直流和低頻交流電流來實現(xiàn)隔離，同時允許電源、模擬信號或高速數(shù)字信號跨越隔離柵傳輸。圖1顯示了用于實現(xiàn)隔離的三種常用半導體技術：光（光耦合器）、電場信號傳輸（電容）和磁場耦合（變壓器）。

圖1.半導體隔離技術：光耦合器（a）;電容式（b）;變壓器 （c）。

TI 利用電容隔離技術和專有的集成平面變壓器（磁隔離）以及先進的封裝和工藝技術，通過我們龐大而多樣化的隔離 IC 產(chǎn)品組合實現(xiàn)一些最高水平的可靠性、集成度和性能。

利用可靠的隔離技術克服高壓設計挑戰(zhàn)
閱讀我們的白皮書，了解常見的高壓電流隔離問題和方法，以及如何在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中可靠地實現(xiàn)高壓隔離，同時減小解決方案尺寸和成本。

電容隔離

電容隔離技術基于電介質上的交流信號傳輸。TI 的電容隔離器采用 SiO 結構2電介質，提供非常高的介電強度。由于SiO2是一種無機材料，在水分和溫度下也非常穩(wěn)定。此外，我們專有的多層電容器和多層鈍化方法通過減少高壓性能對任何單層的依賴性來提高隔離器的質量和可靠性。我們的電容技術支持工作電壓（V IOWM ） 的 2 kV 有效值 ，可承受隔離電壓 （V .ISO ） 的 7.5 kV 有效值浪涌電壓能力為 12.8kVPK .

磁隔離

磁隔離通常用于需要高頻 DC/DC 電源轉換的應用。IC變壓器耦合隔離的一個優(yōu)點是能夠傳輸超過數(shù)百毫瓦的功率，這通常無需副邊偏置電源。也可以使用磁隔離來發(fā)送高頻信號。在需要同時發(fā)送電源和數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，可以使用相同的變壓器繞組線圈來滿足電源和信號需求，如圖2所示。通過在同一集成變壓器線圈上組合信號和功率傳輸，解決方案成本和尺寸都降至最低。TPSI3050-Q1和TPSI3052-Q1利用同一變壓器通道上的組合數(shù)據(jù)和功率傳輸。

TI 使用專有的多芯片模塊方法進行磁隔離，該方法將高性能平面變壓器與隔離功率級和專用控制器芯片共同封裝。我們可以構建這些變壓器，既可以使用高性能鐵氧體磁芯來提高耦合和變壓器效率，也可以使用空氣磁芯來節(jié)省成本和復雜性，當應用只需要適度的功率傳輸時。

可靠地滿足隔離需求，同時減小解決方案尺寸和成本。

不同的應用需要不同的隔離方法。讓我們看幾個示例，了解 TI IC 如何以非常高的可靠性幫助解決電動汽車和電網(wǎng)基礎設施應用中的高壓隔離需求，同時減小解決方案尺寸和成本。

電動汽車應用

減輕重量、增加扭矩、提高效率和加快充電速度，使電動汽車的高壓電池組從 400 V 提升到 800 V，甚至高達 1 kV。電池管理系統(tǒng) （BMS）和牽引逆變器是兩個最關鍵的EV 子系統(tǒng)，其中 800 V 域需要與底盤隔離，以幫助確保乘客及其車輛的安全。

圖3所示框圖是一個牽引逆變器示例，該逆變器使用隔離式柵極驅動器驅動三相DC-AC逆變器配置中的高壓絕緣柵雙極晶體管（IGBT）或碳化硅（SiC）模塊。這些模塊可以共同封裝多達六個IGBT或SiC開關，需要多達六個隔離變壓器，為六個獨立的柵極驅動器IC供電。我們的 [UCC14240-Q1]（https://www.ti.com/product/UCC14240-Q1） 是一款雙輸出、中壓、隔離式 DC/DC 電源模塊，可在牽引逆變器、柵極驅動器偏置應用中實現(xiàn)更高的性能，同時通過減少外部變壓器的數(shù)量來最小化 PCB 面積。

圖3.典型的牽引逆變器系統(tǒng)框圖。

此外，BMS在將高壓電池端子連接到子系統(tǒng)時使用預充電電路。我們的 5 kV有效值 TPSI3050-Q1 隔離式開關驅動器旨在取代機械預充電接觸器，以實現(xiàn)更小、更可靠的固態(tài)解決方案。它提供高達 5 kV 的增強隔離 有效值， 使用壽命比機電繼電器高 10 倍，機電繼電器會隨著時間的推移而退化。圖 4 顯示了與機械繼電器相比，TPSI3050-Q1 可以節(jié)省的面積。

圖4.使用基于磁隔離的固態(tài)繼電器驅動器 （TPSI3050） 減小解決方案尺寸。

電網(wǎng)基礎設施應用

隔離在電網(wǎng)基礎設施應用中至關重要，可以防止可能損壞設備或傷害人員的高壓浪涌，消除涉及大接地電位差 （GPD） 的互連中的破壞性接地環(huán)路，并在共模瞬態(tài)事件期間保持數(shù)據(jù)完整性。

太陽能設備和電動汽車充電器可以在 200 V 至 1，500 V 或更高的電壓范圍內運行。圖 4 顯示了我們的AFE 用于高壓電動汽車充電和太陽能絕緣監(jiān)測參考設計，參考設計，該設計使用AMC3330精密隔離放大器和TPSI2140-Q1隔離開關在電網(wǎng)基礎設施應用中提供絕緣電阻監(jiān)控。由于沒有移動部件，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，而不會降低任何性能。電源和信號均可跨越 TPSI2140-Q1 內的隔離柵傳輸，因此無需次級側偏置電源。由于該器件采用薄型小外形IC （SOIC）封裝，因此解決方案尺寸可比基于光繼電器或機械繼電器的解決方案小50%。

圖5.用于高壓電動汽車充電和太陽能中絕緣監(jiān)測的AFE。

結論

通過在我們的隔離技術中集成更多功能，TI 使工程師能夠保持電動汽車和電網(wǎng)基礎設施等應用的安全性，同時降低設計復雜性、解決方案尺寸和成本。了解我們如何擴展電容和磁隔離技術以添加更多模擬功能。

審核編輯 黃宇