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高壓系統(tǒng)中的隔離

lPCU_elecfans ? 來源:未知 ? 2022-10-26 07:20 ? 次閱讀
電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道(文/李寧遠(yuǎn))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(jìn)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(hù)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(kuò)大一點(diǎn)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(fèi)電子產(chǎn)品等相對低壓場景,任何需要可靠運(yùn)行的場景里,隔離都是確保系統(tǒng)可靠運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(qiáng)型級別的隔離等級,屬于電擊防護(hù)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(qiáng)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(qiáng)型數(shù)字容耦/磁耦的要求,對于增強(qiáng)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(shí)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(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型電隔離IEC標(biāo)準(zhǔn)對增強(qiáng)型數(shù)字容耦/磁耦的要求很清晰,而對于增強(qiáng)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(shí)上在高電壓系統(tǒng)里,光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強(qiáng)度都偏低,想要靠光耦實(shí)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(dá)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(qiáng)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(shí)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(dú)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(shí)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(jì)上看,集成也是隔離器件在實(shí)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(shí)現(xiàn)隔離式DCDC電源轉(zhuǎn)換,降低EMI風(fēng)險(xiǎn)的同時體積也減少了不少。 電機(jī)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(jìn)行隔離式的檢測,不僅響應(yīng)時間快,也能有效保護(hù)SiC和GaN晶體管。

小結(jié)在高電壓系統(tǒng)中,增強(qiáng)型隔離既保護(hù)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。 e98edff4-54ba-11ed-a3b6-dac502259ad0.png ? ?

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