【導讀】工廠自動化設備、電網基礎設施應用、電機驅動器和電動汽車 (EV) 等(deng)高(gao)電(dian)壓(ya)工(gong)業(ye)和(he)汽(qi)車(che)係(xi)統(tong)能(neng)夠(gou)產(chan)生(sheng)數(shu)百(bai)至(zhi)數(shu)千(qian)伏(fu)的(de)電(dian)壓(ya)
，這(zhe)不(bu)僅(jin)會(hui)縮(suo)短(duan)設(she)備(bei)壽(shou)命(ming)，甚(shen)至(zhi)會(hui)給(gei)人(ren)身(shen)安(an)全(quan)帶(dai)來(lai)重(zhong)大(da)風(feng)險(xian)。本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)如(ru)何(he)利(li)用(yong)全(quan)新(xin)隔(ge)離(li)技(ji)術(shu)來(lai)保(bao)證(zheng)這(zhe)些(xie)高(gao)電(dian)壓(ya)係(xi)統(tong)的(de)安(an)全(quan)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)可(ke)靠(kao)性(xing)，同(tong)時(shi)縮(suo)小(xiao)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)尺(chi)寸(cun)並(bing)降(jiang)低(di)成(cheng)本(ben)。

隔離方法

集成電路 (IC) 實現隔離的方式是阻斷直流和低頻交流電流，而允許電源、模擬信號或高速數字信號通過隔離柵傳輸。圖1展示了三種用於實現隔離的常用半導體技術：光學（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集成平麵變壓器（磁隔離），以及先進的封裝和工藝技術
，力求提升我們大型且品類齊全的隔離式 IC 產品係列的可靠性、集成度和性能。

利用可靠隔離技術克服高電壓設計挑戰

閱yue讀du白bai皮pi書shu
，了le解jie常chang見jian的de高gao電dian壓ya電dian隔ge離li問wen題ti和he方fang法fa
，以yi及ji如ru何he在zai工gong業ye和he汽qi車che係xi統tong中zhong可ke靠kao地di實shi現xian高gao電dian壓ya隔ge離li，同tong時shi縮suo小xiao解jie決jue方fang案an尺chi寸cun並bing降jiang低di成cheng本ben。

電容隔離

電容隔離技術基於穿過電介質的交流信號傳輸。TI 的電容隔離器使用介電強度很高的 SiO2 電介質構建。因為SiO2為無機材料，所以在不同濕度和溫度條件下都非常穩定。 此(ci)外(wai)，我(wo)們(men)專(zhuan)有(you)的(de)多(duo)層(ceng)電(dian)容(rong)器(qi)和(he)多(duo)層(ceng)鈍(dun)化(hua)方(fang)法(fa)可(ke)降(jiang)低(di)高(gao)電(dian)壓(ya)性(xing)能(neng)對(dui)任(ren)何(he)單(dan)層(ceng)的(de)依(yi)賴(lai)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)質(zhi)量(liang)和(he)可(ke)靠(kao)性(xing)。我(wo)們(men)的(de)電(dian)容(rong)技(ji)術(shu)支(zhi)持(chi)的(de)工(gong)作(zuo)電(dian)壓(ya) (VIOWM) 為2kVRMS，可承受的隔離電壓 (VISO) 為7.5kVRMS，並且能夠承受12.8kVPK的浪湧電壓。

磁隔離

磁隔離通常用於需要高頻直流/直流電源轉換的應用。IC變(bian)壓(ya)器(qi)耦(ou)合(he)隔(ge)離(li)的(de)一(yi)個(ge)優(you)勢(shi)是(shi)可(ke)以(yi)傳(chuan)輸(shu)超(chao)過(guo)數(shu)百(bai)毫(hao)瓦(wa)的(de)功(gong)率(lv)
，通(tong)常(chang)無(wu)需(xu)次(ci)級(ji)側(ce)偏(pian)置(zhi)電(dian)源(yuan)。也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)磁(ci)隔(ge)離(li)來(lai)發(fa)送(song)高(gao)頻(pin)信(xin)號(hao)。在(zai)需(xu)要(yao)同(tong)時(shi)輸(shu)送(song)電(dian)力(li)和(he)傳(chuan)輸(shu)數(shu)據(ju)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong)，您(nin)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)相(xiang)同(tong)的(de)變(bian)壓(ya)器(qi)繞(rao)組(zu)線(xian)圈(quan)來(lai)滿(man)足(zu)功(gong)率(lv)和(he)信(xin)號(hao)需(xu)求(qiu)
，如(ru)圖(tu)2所示。將信號和電力輸送功能結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並縮小尺寸。TPSI3050-Q1和 TPSI3052-Q1就是把數據傳輸和電力輸送結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

對於磁隔離，TIshiyongzhuanyouduoxinpianmokuaifangfa，xietongfengzhuanggaoxingnengpingmianbianyaqiyugelishigonglvjihezhuanyongkongzhiqiluopian。womenkeyishiyonggaoxingnengtieyangticixinlaigoujianzhexiebianyaqi

，yibiantigaoouhehebianyaqixiaolv，yekeyizaidianlishusongxuqiubugaodeyingyongzhongshiyongkongxin，congerjieshengchengbenbingjiangdifuzaxing。 

可靠地滿足隔離需求

，同時縮小解決方案尺寸並降低成本。

不同應用所需的隔離方法不盡相同。我們來看幾個例子，了解TI的IC如何幫助滿足電動汽車和電網基礎設施應用的高電壓隔離需求，請查看如何使用SSR實現更高可靠性的隔離和更小的解決方案尺寸。

電動汽車應用

為減輕重量
、增加扭矩、提高效率並加快充電速度，電動汽車高電壓電池組的電平從 400V增加到800V，甚至高達1kV。電池管理係統 (BMS) 和牽引逆變器是兩個非常關鍵的電動汽車子係統，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，在三相直流轉交流逆變器配置中
，該牽引逆變器使用隔離柵極驅動器來驅動高電壓絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或碳化矽 (SiC) 模塊。這些模塊可協同封裝多達六個IGBT或SiC開關，至多需要六個隔離變壓器，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
、柵極驅動器偏置應用中實現更高的性能，同時通過減少外部變壓器的數量來充分縮小PCB麵積。

圖 3：典型的牽引逆變器係統方框圖

此外
，將高電壓電池端子連接到子係統時，BMS使用預充電電路。我們的5kVRMS TPSI3050-Q1隔離開關驅動器旨在取代機械預充電接觸器，實現更小、更可靠的固態解決方案。該器件可提供高達5kVRMS 的增強型隔離
，工作壽命為機電繼電器的10倍，且不像機電繼電器那樣容易隨著時間的推移而退化。圖4說明了 TPSI3050-Q1與機械繼電器相比所能節省的麵積。

圖 4：使用基於磁隔離的固態繼電器驅動器 (TPSI3050) 縮小解決方案尺寸

電網基礎設施應用

隔離是電網基礎設施應用中的必備要素
，它能夠保護設備和人員免受高壓浪湧的損害
，消除互連時涉及較大接地電位差 (GPD) 的破壞性接地回路，並在共模瞬態事件期間保持數據完整性。

太陽能設備和電動汽車充電器的工作電壓範圍為200V至1,500V或更高。圖4所示為我們高壓電動汽車充電和太陽能中的絕緣監測AFE參考設計。該參考設計使用我們的 AMC3330精密隔離放大器和 TPSI2140-Q1gelikaiguan，zaidianwangjichusheshiyingyongzhongjiancejueyuandianzu。youyumeiyouyidongqijian，zhezhonggutaijidianqijiejuefangankeyizhixingshushiniandepinfanceliang，qiebuhuijiangdixingneng。dianlihexinhaojunketongguoTPSI2140-Q1內的隔離柵輸送，因此無需次級側偏置電源。由於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於光繼電器或機械繼電器的解決方案小50%。

圖5：高壓電動汽車充電和太陽能中的絕緣監測AFE方框圖

結語

TI將更多功能集成到隔離技術中


，助力工程師在電動汽車和電網基礎設施等應用中保持解決方案的安全性，同時降低設計複雜性
、縮小解決方案尺寸並降低成本。請參閱 ti.com/isolationtechnology

，了解我們如何擴展電容和磁隔離技術來添加更多模擬功能。

其他參考資料

有關TI高電壓隔離電容器可靠性的更多信息
，請閱讀白皮書“實現高質量和可靠的高電壓信號隔離”。

查看應用簡報，《如何簡化隔離式24V PLC數字輸入模塊設計》。

解基本的隔離參數、認證以及如何使用各類隔離IC進行設計和故障排除
，請觀看 TI高精度實驗室 - 隔離培訓係列。

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