高壓工業(yè)和汽車系統(tǒng)，如工廠自動(dòng)化設(shè)備、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)汽車 （EV），可以產(chǎn)生數(shù)百到數(shù)千伏的電壓，這對(duì)人類構(gòu)成重大安全風(fēng)險(xiǎn)，并可能縮短設(shè)備壽命。本文介紹如何利用最新的隔離技術(shù)來(lái)提高可靠性，同時(shí)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(guò)阻斷直流和低頻交流電流來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離，同時(shí)允許電源、模擬信號(hào)或高速數(shù)字信號(hào)跨越隔離柵傳輸。圖1顯示了用于實(shí)現(xiàn)隔離的三種常用半導(dǎo)體技術(shù)：光（光耦合器）、電場(chǎng)信號(hào)傳輸（電容）和磁場(chǎng)耦合（變壓器）。

圖1.半導(dǎo)體隔離技術(shù)：光耦合器（a）;電容式（b）;變壓器 （c）。

TI 利用電容隔離技術(shù)和專有的集成平面變壓器（磁隔離）以及先進(jìn)的封裝和工藝技術(shù)，通過(guò)我們龐大而多樣化的隔離 IC 產(chǎn)品組合實(shí)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(shù)克服高壓設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
閱讀我們的白皮書(shū)，了解常見(jiàn)的高壓電流隔離問(wèn)題和方法，以及如何在工業(yè)和汽車系統(tǒng)中可靠地實(shí)現(xiàn)高壓隔離，同時(shí)減小解決方案尺寸和成本。

電容隔離

電容隔離技術(shù)基于電介質(zhì)上的交流信號(hào)傳輸。TI 的電容隔離器采用 SiO 結(jié)構(gòu)2電介質(zhì)，提供非常高的介電強(qiáng)度。由于SiO2是一種無(wú)機(jī)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(guò)減少高壓性能對(duì)任何單層的依賴性來(lái)提高隔離器的質(zhì)量和可靠性。我們的電容技術(shù)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(zhuǎn)換的應(yīng)用。IC變壓器耦合隔離的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是能夠傳輸超過(guò)數(shù)百毫瓦的功率，這通常無(wú)需副邊偏置電源。也可以使用磁隔離來(lái)發(fā)送高頻信號(hào)。在需要同時(shí)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(lái)滿足電源和信號(hào)需求，如圖2所示。通過(guò)在同一集成變壓器線圈上組合信號(hào)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(jìn)行磁隔離，該方法將高性能平面變壓器與隔離功率級(jí)和專用控制器芯片共同封裝。我們可以構(gòu)建這些變壓器，既可以使用高性能鐵氧體磁芯來(lái)提高耦合和變壓器效率，也可以使用空氣磁芯來(lái)節(jié)省成本和復(fù)雜性，當(dāng)應(yīng)用只需要適度的功率傳輸時(shí)。

可靠地滿足隔離需求，同時(shí)減小解決方案尺寸和成本。

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

電動(dòng)汽車應(yīng)用

減輕重量、增加扭矩、提高效率和加快充電速度，使電動(dòng)汽車的高壓電池組從 400 V 提升到 800 V，甚至高達(dá) 1 kV。電池管理系統(tǒng) （BMS）和牽引逆變器是兩個(gè)最關(guān)鍵的EV 子系統(tǒng)，其中 800 V 域需要與底盤(pán)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(gè)牽引逆變器示例，該逆變器使用隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)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(dá)六個(gè)IGBT或SiC開(kāi)關(guān)，需要多達(dá)六個(gè)隔離變壓器，為六個(gè)獨(dú)立的柵極驅(qū)動(dòng)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(qū)動(dòng)器偏置應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的性能，同時(shí)通過(guò)減少外部變壓器的數(shù)量來(lái)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(shí)使用預(yù)充電電路。我們的 5 kV有效值 TPSI3050-Q1 隔離式開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器旨在取代機(jī)械預(yù)充電接觸器，以實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的固態(tài)解決方案。它提供高達(dá) 5 kV 的增強(qiáng)隔離 有效值， 使用壽命比機(jī)電繼電器高 10 倍，機(jī)電繼電器會(huì)隨著時(shí)間的推移而退化。圖 4 顯示了與機(jī)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(qū)動(dòng)器 （TPSI3050） 減小解決方案尺寸。

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用

隔離在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中至關(guān)重要，可以防止可能損壞設(shè)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?jǐn)?shù)據(jù)完整性。

太陽(yáng)能設(shè)備和電動(dòng)汽車充電器可以在 200 V 至 1，500 V 或更高的電壓范圍內(nèi)運(yùn)行。圖 4 顯示了我們的AFE 用于高壓電動(dòng)汽車充電和太陽(yáng)能絕緣監(jiān)測(cè)參考設(shè)計(jì)，參考設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)使用AMC3330精密隔離放大器和TPSI2140-Q1隔離開(kāi)關(guān)在電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中提供絕緣電阻監(jiān)控。由于沒(méi)有移動(dòng)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(cè)量，而不會(huì)降低任何性能。電源和信號(hào)均可跨越 TPSI2140-Q1 內(nèi)的隔離柵傳輸，因此無(wú)需次級(jí)側(cè)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(jī)械繼電器的解決方案小50%。

圖5.用于高壓電動(dòng)汽車充電和太陽(yáng)能中絕緣監(jiān)測(cè)的AFE。

結(jié)論

通過(guò)在我們的隔離技術(shù)中集成更多功能，TI 使工程師能夠保持電動(dòng)汽車和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用的安全性，同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、解決方案尺寸和成本。了解我們?nèi)绾螖U(kuò)展電容和磁隔離技術(shù)以添加更多模擬功能。

審核編輯 黃宇