隔離挑戰(zhàn)升級(jí)，優(yōu)勢(shì)各異的器件隔離技術(shù)

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）在任何一個(gè)高電壓系統(tǒng)背后，肯定有著隔離技術(shù)作為支撐。對(duì)于使用AC電源和DC電源的設(shè)備來(lái)說(shuō)，保持電路隔離是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對(duì)于依賴于高電壓的電路來(lái)說(shuō)更是如此。

不管是汽車應(yīng)用里通過(guò)隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信，還是工業(yè)系統(tǒng)中引入隔離對(duì)高壓浪涌、大接地電位差、高側(cè)組件通信以及共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，隔離技術(shù)的應(yīng)用讓這些高電壓系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行。

不斷變化的隔離挑戰(zhàn)

隔離就是分隔電氣系統(tǒng)，從而防止兩個(gè)器件之間產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流，同時(shí)仍允許信號(hào)和電源傳輸。在目前幾個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)中，隔離的需求十分迫切，如電動(dòng)汽車市場(chǎng)、工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)、儲(chǔ)能電網(wǎng)市場(chǎng)以及醫(yī)療設(shè)備市場(chǎng)。

在電動(dòng)汽車市場(chǎng)，汽車電氣平臺(tái)向更高電壓等級(jí)升級(jí)的趨勢(shì)下，隔離的需求顯而易見(jiàn)。隨著電動(dòng)汽車從400V電池系統(tǒng)過(guò)渡到800V電池系統(tǒng)，必須通過(guò)隔離來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信。從牽引逆變器到DC/DC到OBC，都需要借助隔離技術(shù)更大限度地提高整車EV系統(tǒng)的可靠性和安全性，除此之外隔離技術(shù)還能給相關(guān)器件設(shè)計(jì)優(yōu)化成本并提高電機(jī)效率、電源效率。

在工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)中，高壓工業(yè)電源也需要隔離起來(lái)，這些高電壓浪涌的破壞性極強(qiáng)，不僅可能損壞設(shè)備，也能造成人身安全問(wèn)題。同時(shí)，工業(yè)場(chǎng)景有著大量的傳感器、電機(jī)、機(jī)器人、PLC等設(shè)備，涉及大量通信和控制，隔離技術(shù)的應(yīng)用可以讓這些設(shè)備免受其他信號(hào)的干擾，保持穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

在儲(chǔ)能電網(wǎng)市場(chǎng)，高效可靠電力輸送的實(shí)現(xiàn)更是與隔離技術(shù)息息相關(guān)。光伏逆變器、繼電器、電表、電能分析儀等等設(shè)備都需要通過(guò)數(shù)據(jù)隔離技術(shù)和信號(hào)隔離技術(shù)實(shí)現(xiàn)更智能更高效的電力輸送。

而且隨著SiC和GaN在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器、汽車充電器、牽引逆變器等設(shè)備上應(yīng)用的越來(lái)越多，這需要更準(zhǔn)確更快速的故障檢測(cè)來(lái)診斷交流電力線波動(dòng)和電氣過(guò)載，確保高壓系統(tǒng)穩(wěn)定。隔離技術(shù)集成其他器件能對(duì)雙向過(guò)流、過(guò)壓以及過(guò)熱進(jìn)行隔離式的檢測(cè)，不僅響應(yīng)時(shí)間快，也能有效保護(hù)SiC和GaN晶體管。

不斷升級(jí)的隔離技術(shù)

應(yīng)用市場(chǎng)隔離的挑戰(zhàn)在更新，隔離技術(shù)也在同步發(fā)展。任何隔離器件，都依賴于一種或多種半導(dǎo)體絕緣材料，從早期的空氣、環(huán)氧樹(shù)脂到二氧化硅填充的模塑化合物、聚酰亞胺到二氧化硅。絕緣材料的電介質(zhì)強(qiáng)度在不斷提高，二氧化硅材料的電介質(zhì)強(qiáng)度已達(dá)到500VRMS/μm左右，電介質(zhì)強(qiáng)度的提升帶來(lái)了更好的隔離電壓效果。

從隔離技術(shù)路線上來(lái)說(shuō)，無(wú)外乎是光耦、容耦和磁耦。光耦厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢(shì)使其應(yīng)用場(chǎng)景一直很穩(wěn)定，雖然其CMTI無(wú)法做到容耦和磁耦的水平。如果再犧牲一部分CMTI，光耦可以做到很高的數(shù)據(jù)速率。

電容天生就能阻斷直流信號(hào)，在信號(hào)的隔離傳輸上容耦功耗低，傳輸速率高。現(xiàn)在采用二氧化硅絕緣材料制作的容耦隔離器件在極薄的厚度里有著很高的CMTI，雖然在超高壓系統(tǒng)里絕緣厚度不夠可能浪涌保護(hù)能力不夠，不過(guò)各種多層制備工藝也不斷升級(jí)解決了此類困擾。

磁耦隔離技術(shù)絕對(duì)是高頻DC/DC電源轉(zhuǎn)換里最常見(jiàn)的，不僅能夠發(fā)送高頻信號(hào)，還能改善傳輸延遲和延遲偏差這是其他隔離技術(shù)沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)在的磁耦隔離器件集成度都很高，單一芯片集成電源和信號(hào)傳輸，這樣在設(shè)計(jì)中能省去組件，有助于縮小隔離方案尺寸并降低成本。

小結(jié)

隔離技術(shù)保護(hù)了低電壓電路免受高電壓故障影響，又能中斷接地回路來(lái)保持信號(hào)完整性，從而實(shí)現(xiàn)不同電壓域之間的通信。在目前的幾個(gè)關(guān)鍵市場(chǎng)里，隨著隔離技術(shù)的升級(jí)，隔離器件的集成度也越來(lái)越高，在高電壓系統(tǒng)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。