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如何設(shè)計(jì)可靠性更高、尺寸更小、成本更低的高電壓系統(tǒng)解決方案

2022/06/23
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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)器電動(dòng)汽車(chē) (EV) 等高電壓工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)能夠產(chǎn)生數(shù)百至數(shù)千伏的電壓,這不僅會(huì)縮短設(shè)備壽命,甚至?xí)o人身安全帶來(lái)重大風(fēng)險(xiǎn)。本文介紹如何利用全新隔離技術(shù)來(lái)保證這些高電壓系統(tǒng)的安全,從而提高可靠性,同時(shí)縮小解決方案尺寸并降低成本。

隔離方法
集成電路 (IC) 實(shí)現(xiàn)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(hào)或高速數(shù)字信號(hào)通過(guò)隔離柵傳輸。圖1展示了三種用于實(shí)現(xiàn)隔離的常用半導(dǎo)體技術(shù):光學(xué)(光耦合器)、電場(chǎng)信號(hào)傳輸電容式)和磁場(chǎng)耦合(變壓器)。

(a)

?

(b)

?

(c)
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(zhuān)有集成平面變壓器磁隔離),以及先進(jìn)的封裝和工藝技術(shù),力求提升我們大型且品類(lèi)齊全的隔離式 IC 產(chǎn)品系列的可靠性、集成度和性能。

電容隔離
電容隔離技術(shù)基于穿過(guò)電介質(zhì)的交流信號(hào)傳輸。TI 的電容隔離器使用介電強(qiáng)度很高的 SiO2?電介質(zhì)構(gòu)建。因?yàn)镾iO2為無(wú)機(jī)材料,所以在不同濕度和溫度條件下都非常穩(wěn)定。 此外,我們專(zhuān)有的多層電容器和多層鈍化方法可降低高電壓性能對(duì)任何單層的依賴(lài),從而提高隔離器的質(zhì)量和可靠性。我們的電容技術(shù)支持的工作電壓 (VIOWM) 為2kVRMS,可承受的隔離電壓 (VISO) 為7.5kVRMS,并且能夠承受12.8kVPK的浪涌電壓。

磁隔離
磁隔離通常用于需要高頻直流/直流電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。IC變壓器耦合隔離的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是可以傳輸超過(guò)數(shù)百毫瓦的功率,通常無(wú)需次級(jí)側(cè)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)輸送電力和傳輸數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中,您可以使用相同的變壓器繞組線圈來(lái)滿(mǎn)足功率和信號(hào)需求,如圖2所示。將信號(hào)和電力輸送功能結(jié)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并縮小尺寸。TPSI3050-Q1?和?TPSI3052-Q1?就是把數(shù)據(jù)傳輸和電力輸送結(jié)合在同一變壓器通道上。

圖2:使用磁隔離通過(guò)隔離柵可靠地輸送電力和信號(hào)

對(duì)于磁隔離,TI使用專(zhuān)有多芯片模塊方法,協(xié)同封裝高性能平面變壓器與隔離式功率級(jí)和專(zhuān)用控制器裸片。我們可以使用高性能鐵氧體磁芯來(lái)構(gòu)建這些變壓器,以便提高耦合和變壓器效率,也可以在電力輸送需求不高的應(yīng)用中使用空芯,從而節(jié)省成本并降低復(fù)雜性。?

可靠地滿(mǎn)足隔離需求,同時(shí)縮小解決方案尺寸并降低成本。

不同應(yīng)用所需的隔離方法不盡相同。我們來(lái)看幾個(gè)例子,了解TI的IC如何幫助滿(mǎn)足電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用的高電壓隔離需求,請(qǐng)查看如何使用SSR實(shí)現(xiàn)更高可靠性的隔離和更小的解決方案尺寸。

電動(dòng)汽車(chē)應(yīng)用
為減輕重量、增加扭矩、提高效率并加快充電速度,電動(dòng)汽車(chē)高電壓電池組的電平從 400V增加到800V,甚至高達(dá)1kV。電池管理系統(tǒng) (BMS)?和牽引逆變器是兩個(gè)非常關(guān)鍵的電動(dòng)汽車(chē)子系統(tǒng),需要將800V域與底盤(pán)隔離,從而確保乘客及其車(chē)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(zhuǎn)交流逆變器配置中,該牽引逆變器使用隔離柵極驅(qū)動(dòng)器來(lái)驅(qū)動(dòng)高電壓絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或碳化硅 (SiC) 模塊。這些模塊可協(xié)同封裝多達(dá)六個(gè)IGBT或SiC開(kāi)關(guān),至多需要六個(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?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(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)充分縮小PCB面積。

圖 3:典型的牽引逆變器系統(tǒng)方框圖

此外,將高電壓電池端子連接到子系統(tǒng)時(shí),BMS使用預(yù)充電電路。我們的5kVRMS?TPSI3050-Q1?隔離開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器旨在取代機(jī)械預(yù)充電接觸器,實(shí)現(xiàn)更小、更可靠的固態(tài)解決方案。該器件可提供高達(dá)5kVRMS?的增強(qiáng)型隔離,工作壽命為機(jī)電繼電器的10倍,且不像機(jī)電繼電器那樣容易隨著時(shí)間的推移而退化。圖4說(shuō)明了?TPSI3050-Q1?與機(jī)械繼電器相比所能節(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) 縮小解決方案尺寸

電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用
隔離是電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施應(yīng)用中的必備要素,它能夠保護(hù)設(shè)備和人員免受高壓浪涌的損害,消除互連時(shí)涉及較大接地電位差 (GPD) 的破壞性接地回路,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(chē)充電器的工作電壓范圍為200V至1,500V或更高。圖4所示為我們高壓電動(dòng)汽車(chē)充電和太陽(yáng)能中的絕緣監(jiān)測(cè)AFE參考設(shè)計(jì)。該參考設(shè)計(jì)使用我們的?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)用中監(jiān)測(cè)絕緣電阻。由于沒(méi)有移動(dòng)器件,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,且不會(huì)降低性能。電力和信號(hào)均可通過(guò)TPSI2140-Q1內(nèi)的隔離柵輸送,因此無(wú)需次級(jí)側(cè)偏置電源。由于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于光繼電器或機(jī)械繼電器的解決方案小50%。

圖5:高壓電動(dòng)汽車(chē)充電和太陽(yáng)能中的絕緣監(jiān)測(cè)AFE方框圖

結(jié)語(yǔ)
TI將更多功能集成到隔離技術(shù)中,助力工程師在電動(dòng)汽車(chē)和電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等應(yīng)用中保持解決方案的安全性,同時(shí)降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性、縮小解決方案尺寸并降低成本。

德州儀器

德州儀器

德州儀器 (TI) 設(shè)計(jì)和制造模擬、數(shù)字信號(hào)處理和 DLP 芯片技術(shù),幫助客戶(hù)開(kāi)發(fā)相關(guān)產(chǎn)品。從連接更多人的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的手機(jī)到支持遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的教室投影儀到可信度、靈活度和自由度更高的修復(fù)器械 - TI 技術(shù)均采用了新的理念,產(chǎn)生了更好的解決方案。

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