如何设计具有更高可靠性的高压系统，同时减小解决方案尺寸和成本-可靠性设计的作用

高压工业和汽车系统，如工厂自动化设备、电网基础设施应用、电机驱动和电动汽车 （EV），可以产生数百到数千伏的电压，这对人类构成重大安全风险，并可能缩短设备寿命。本文介绍如何利用最新的隔离技术来提高可靠性，同时减小解决方案尺寸和成本，从而确保这些高压系统的安全。

隔离方法

集成电路 （IC） 通过阻断直流和低频交流电流来实现隔离，同时允许电源、模拟信号或高速数字信号跨越隔离栅传输。图1显示了用于实现隔离的三种常用半导体技术：光（光耦合器）、电场信号传输（电容）和磁场耦合（变压器）。

图1.半导体隔离技术：光耦合器（a）;电容式（b）;变压器 （c）。

TI 利用电容隔离技术和专有的集成平面变压器（磁隔离）以及先进的封装和工艺技术，通过我们庞大而多样化的隔离 IC 产品组合实现一些最高水平的可靠性、集成度和性能。

利用可靠的隔离技术克服高压设计挑战

阅读我们的白皮书，了解常见的高压电流隔离问题和方法，以及如何在工业和汽车系统中可靠地实现高压隔离，同时减小解决方案尺寸和成本。

电容隔离

电容隔离技术基于电介质上的交流信号传输。TI 的电容隔离器采用 SiO 结构2电介质，提供非常高的介电强度。由于SiO2是一种无机材料，在水分和温度下也非常稳定。此外，我们专有的多层电容器和多层钝化方法通过减少高压性能对任何单层的依赖性来提高隔离器的质量和可靠性。我们的电容技术支持工作电压（V IOWM ） 的 2 kV 有效值 ，可承受隔离电压 （V .ISO ） 的 7.5 kV 有效值浪涌电压能力为 12.8kVPK .

磁隔离

磁隔离通常用于需要高频 DC/DC 电源转换的应用。IC变压器耦合隔离的一个优点是能够传输超过数百毫瓦的功率，这通常无需副边偏置电源。也可以使用磁隔离来发送高频信号。在需要同时发送电源和数据系统中，可以使用相同的变压器绕组线圈来满足电源和信号需求，如图2所示。通过在同一集成变压器线圈上组合信号和功率传输，解决方案成本和尺寸都降至最低。TPSI3050-Q1和TPSI3052-Q1利用同一变压器通道上的组合数据和功率传输。

TI 使用专有的多芯片模块方法进行磁隔离，该方法将高性能平面变压器与隔离功率级和专用控制器芯片共同封装。我们可以构建这些变压器，既可以使用高性能铁氧体磁芯来提高耦合和变压器效率，也可以使用空气磁芯来节省成本和复杂性，当应用只需要适度的功率传输时。

可靠地满足隔离需求，同时减小解决方案尺寸和成本。

不同的应用需要不同的隔离方法。让我们看几个示例，了解 TI IC 如何以非常高的可靠性帮助解决电动汽车和电网基础设施应用中的高压隔离需求，同时减小解决方案尺寸和成本。

电动汽车应用

减轻重量、增加扭矩、提高效率和加快充电速度，使电动汽车的高压电池组从 400 V 提升到 800 V，甚至高达 1 kV。电池管理系统 （BMS）和牵引逆变器是两个最关键的EV 子系统，其中 800 V 域需要与底盘隔离，以帮助确保乘客及其车辆的安全。

图3所示框图是一个牵引逆变器示例，该逆变器使用隔离式栅极驱动器驱动三相DC-AC逆变器配置中的高压绝缘栅双极晶体管（IGBT）或碳化硅（SiC）模块。这些模块可以共同封装多达六个IGBT或SiC开关，需要多达六个隔离变压器，为六个独立的栅极驱动器IC供电。我们的 [UCC14240-Q1]（https://www.ti.com/product/UCC14240-Q1） 是一款双输出、中压、隔离式 DC/DC 电源模块，可在牵引逆变器、栅极驱动器偏置应用中实现更高的性能，同时通过减少外部变压器的数量来最小化 PCB 面积。

图3.典型的牵引逆变器系统框图。

此外，BMS在将高压电池端子连接到子系统时使用预充电电路。我们的 5 kV有效值 TPSI3050-Q1 隔离式开关驱动器旨在取代机械预充电接触器，以实现更小、更可靠的固态解决方案。它提供高达 5 kV 的增强隔离 有效值， 使用寿命比机电继电器高 10 倍，机电继电器会随着时间的推移而退化。图 4 显示了与机械继电器相比，TPSI3050-Q1 可以节省的面积。

图4.使用基于磁隔离的固态继电器驱动器 （TPSI3050） 减小解决方案尺寸。

电网基础设施应用

隔离在电网基础设施应用中至关重要，可以防止可能损坏设备或伤害人员的高压浪涌，消除涉及大接地电位差 （GPD） 的互连中的破坏性接地环路，并在共模瞬态事件期间保持数据完整性。

太阳能设备和电动汽车充电器可以在 200 V 至 1，500 V 或更高的电压范围内运行。图 4 显示了我们的AFE 用于高压电动汽车充电和太阳能绝缘监测参考设计，参考设计，该设计使用AMC3330精密隔离放大器和TPSI2140-Q1隔离开关在电网基础设施应用中提供绝缘电阻监控。由于没有移动部件，这种固态继电器解决方案可以执行数十年的频繁测量，而不会降低任何性能。电源和信号均可跨越 TPSI2140-Q1 内的隔离栅传输，因此无需次级侧偏置电源。由于该器件采用薄型小外形IC （SOIC）封装，因此解决方案尺寸可比基于光继电器或机械继电器的解决方案小50%。

图5.用于高压电动汽车充电和太阳能中绝缘监测的AFE。

结论

通过在我们的隔离技术中集成更多功能，TI 使工程师能够保持电动汽车和电网基础设施等应用的安全性，同时降低设计复杂性、解决方案尺寸和成本。了解我们如何扩展电容和磁隔离技术以添加更多模拟功能。

审核编辑 黄宇