善用可靠且性价比高的隔离技术来应对高电压设计挑战

善对用高可电靠压且设性计价挑比战高的隔离技术来应 KrunalManiar ProductMarketingEngineerDataConverters TexasInstruments StevenMappus SystemsApplicationsEngineerHigh-VoltageControllers TexasInstruments TimMerkin SeniorMemberTechnicalStaffKilbyLabs TexasInstruments AlexTriano ProductMarketingandApplicationsManagerSolid-StateRelays TexasInstruments LukeTrowbridge ProductMarketingEngineerIsolation TexasInstruments 内容概览 本文将概述电隔离，解释高压系统的常用隔离方法，并展 示德州仪器(TI)隔离集成电路(IC)如何帮助设计人员可靠 地满足隔离需求，同时缩小解决方案尺寸并降低成本。 1 电隔离引入了电气隔板，可阻止电流在系统的两个 什么是电隔离？ 或多个器件之间流动。隔离信号和电源可保护人员 和设备，并遵守行业和国际标准。 2 了高解电构压建电隔隔离栅离时问的题主和要考方虑法因素，例如额定电 压、间距尺寸、共模瞬态抗扰度(CMTI)和电磁干扰 (EMI)。 3 可尺靠寸地并满降足低隔成离本需求，同时缩小解决方案 得益于TI在电容和磁隔离、封装开发和工艺技术方 面的进步，可以跨工业和汽车系统（例如电动汽车 (EV)、电网基础设施、工厂自动化和电机驱动器） 的隔离栅安全可靠地提供电源和传输高速信号。 工厂自动化、电机驱动、电网基础设施和电动汽车(EV)中存在的高电压可达几百伏，甚至高达数千伏。电隔离有助于应对在存在如此高电压的情况下设计安全人机界面的挑战。 第二个优先事项是确定高电压和低电压电路之间可实现安 在任何高压电源系统中，首要考虑事项是保护维护人员和终端设备用户。电隔离可以将高电压与其他低电压人机界面段隔离开来，从而同时满足这个优先事项。 全可靠的运行例如电压和电流检测、电源控制、数字通 ， 信和信号处理等。可靠的隔离技术、材料和IC使设计人员能够满足这一优先级。 电隔离分隔电气系统，从而防止两个器件之间产生直流电 什么是电隔离？ 流和有害的交流电流同时仍允许信号和电源传输。图1 ， 展示了两个电隔离电路。 图1.低到高电压电信号隔离。 当GND1从GND2断开时，I1与I2实现电隔离。由于 GND1和GND2之间没有共性，因此没有通过隔离栅共享 共同的直流接地电流。除了在不导通的情况下隔离共享的接地连接和信号通信，由于GND2可转移到相对于GND1 的另一个浮动电势，因此还可以使用电隔离进行电压电平转换。 由于更多的双向信号信息通过隔离栅进行通信，因此高电压系统需要更多的隔离。图2展示了以下示例：电源、高 速栅极驱动器信号和数字通信信号都必须穿过隔离栅。许多模拟和数字电路都有特定的偏置电压要求，数字信号和 电源都必须穿过隔离栅。在同一系统中，隔离式高分辨率模数转换器(ADC)可能需要3.3V，而隔离式栅极驱动器可 能需要+15V和–5V。这些要求不仅让信号穿过隔离栅，还要穿过电源。 图2.穿过隔离栅传输的信号类型。 如需详细了解电隔离，请观看什么是电隔离？视频。 测试 IEC60747-17 电容和磁隔离器 IEC60747-5-5光耦合器 基础型隔离 增强型隔离 仅增强型隔离 复VIO峰RM值–隔最离大电重压 –最大隔 交极流电压（双 ） 交流电压基于时 交极流电压（双 ） 交流电压基于 交极流电压（双 ） 基于局部放电测 VIOWM离工作电压 间击依穿赖(T型DD电B介)质 TDDB 试 V测P试D–电局压部放电 –最大浪 VTEST=1.5×VIOWM VTEST=1.875×VIOWM VTEST=1.875×VIOWM 最小 VIOSM 涌隔离电压 最短额定寿命 VTEST=1.3×VIMP 年 VTEST=1.6×VIMP10kVPK（最小值） 年 10kVPK（值）未定义 寿命期的故障率 20×1.2 20×1.5 未定义 允许使用的隔离 1,000ppm二氧化硅 1ppm 和薄膜聚合 未定义 材料 (SiO2) 和薄膜聚合物 SiO2物 高电压电隔离问题 增强型隔离是应用于高电压系统的最高商用等级。满足增强型隔离要求的一种方法是在隔离栅上引入更远的距离， 使其能够承受更高的电压测试标准和更长的额定寿命。例如，在国际电工委员会(IEC)60747-17和IEC607475-5 中，与基本隔离相比，强制局部放电测试电压(VPD)更高。如需详细了解增强型隔离，请观看什么是增强型隔离？视频。 若要认证高电压系统是否符合增强型隔离要求，首先需要 选择符合由各个委员会定义的安全和认证测试协议的隔离器。美国保险商实验室(UL)是美国的一家全球安全认证实 验室，但不同的国家/地区要求遵守其当地或区域系统标准。因此，打算在全球使用的隔离器必须符合各种国际安全标准。 表2总结了数字（电容和磁性）隔离器和光耦合器的IEC 标准要求。 在系统中构建可靠的隔离栅时需要考虑很多因素包括 ，， 隔离额定值、爬电距离和电气间隙、CMTI和EMI。 功能、基本和增强型隔离指的是分配给电气系统的绝缘额定级别，如表1中所列。 绝缘体额定级别 说明 功能模式基本型 设备正常运行需要绝缘针对电击提供基本保护的绝缘 辅助 除现基故本障绝时缘提外供可电应击用防的护独立绝缘–以便在基本绝缘出 双精度增强型 同时具有基本绝缘和辅助绝缘的绝缘电击防护等级等效于双重绝缘的单一绝缘系统 表1.隔离等级。 功能隔离指的是为系统分配极少隔离，以便使系统能够正常运行，但不一定能防止电击。功能隔离的一个例子是在给定电压额定值下维持适当的印刷电路板(PCB)导体间距。 基本隔离提供“足够的”电击防护，具有与最高系统级电压同等的安全等级。 表2.适用于电容隔离器和磁隔离器及光耦合器的IEC标准。 隔离器有几个重要参数。例如，爬电距离和间隙距离是穿过隔离栅的两根导电引线间的最短距离。如图3中所示，爬电距离是在穿过IC封装表面的邻接导体之间测得的最短 距离，而间隙距离在空气中测得。 图隙。3.穿过表面的爬电距离(a)和在空气中穿过隔离器封装的间 封装技术在实现更高的爬电距离和间隙距离测量值方面起着重要的作用，可为工程师提供不同的选项。高质量模塑 化合物、宽体封装和更高的增强型隔离等级相辅相成，因为更高的隔离等级需要更宽的封装和更好的模塑化合物， Silicone LED Insulatingtape Barrierbreakdownduetohighvoltagestress Detectordie A) Cisolation Cisolation Leftdie Leadframe Rightdie Leadframe Leftdietransmit/receive HighvoltageSiO2capacitors Bondwires Rightdietransmit/receive 以便封装不会引发击穿和电弧。 ， / / 另一个参数是CMTI，它指明了隔离器在高速瞬变情况下可靠运作的能力以千伏微秒或伏纳秒为单位。宽带隙 B)Packagemold compound 半导体的普及导致出现更高瞬变电压(dV/dt)的边沿速率，使得CMTI的测量对于监测隔离器的恢复性至关重要。高性能隔离器的CMTI额定值很容易达到100V/ns，许多CMTI测试的结果都超过200V/ns。使用低CMTI隔离器在高dV/dt环境中预期会出现信号完整性问题，例如脉冲抖动、失真、运行不稳定或丢失脉冲信息。 IC级和系统级的隔离考量是类似的。我们通常要在更小的IC封装尺寸、更高的集成度、热管理和符合认证标准与降低EMI和实现更高效率的需求之间进行权衡取舍。选择旨在满足IC级的所有这些需求的隔离型组件，有助于无缝过渡到系统级别的完全增强型合规性。 隔离方法 因为 C) 图4.半导体隔离技术：光耦合器(a)；电容式(b)；变压器(c)。 每种技术都依赖一种或多种半导体绝缘材料（例如表3中 列出的材料）来达到所需的隔离性能水平。更高电介质强度的材料对于在给定距离，会有更好的隔离电压效果。 IC可以阻断直流和低频交流电流，而允许电源、模拟 信号或高速数字信号通过隔离栅，因此它们是用于在现代高电压系统中实现隔离的基本构建块。图4展示了三种常用的半导体技术：光学（光耦合器）、电场信号传输（电 容式）和磁场耦合（变压器）。TI隔离IC使用先进的电容 隔离技术和专有平面变压器。TI利用其封装开发、隔离和制成技术，实现高集成、高性能和高可靠性。 表3.半导体绝缘材料。 绝缘材料 电介质强度 空气 约1VRMS/µm 环氧树脂 约20VRMS/µm 二氧化硅填充的模塑化合物 约100VRMS/µm 聚酰亚胺 约300VRMS/µm SiO2 约500VRMS/µm 光学隔离 光耦合器是指在模拟和数字信号隔离应用中使用的 IC。它 们的工作原理是，通过空气、环氧树脂或模塑化合物等电介质绝缘材料，将LED光源传输到光晶体管。从表3中可以看出，这些材料具有极低的电介质强度，因此需要更多的物理分隔来实现更高级别的隔离。TI的产品系列目前不包括光隔离产品。 尽管发光二极管光子是已知超快的电磁能量传输介质，但LED开关速度、正向偏置要求和驱动电路将其信号速率限制在每秒几兆位以下。此外，光传输效率无法传输足够的功率以有效用作电源，因此通常光耦合器仅用于传输数据。 光耦合器封装内的LED驱动电路和放大器等组合功能有助于实现更高的数据速率，但成本更高。输入至输出电流传输比是光耦合器增益的量度，会随着时间的推移而变化和 退化。设计人员会通过超额指定所需的偏置电流来补偿这种老化效应。因此，与电容和磁隔离器相比，光耦合器往往具有更高的功耗。 电容隔离 由于电容器天生就能阻断直流信号，因此电容隔离技术基于穿过电介质的交流信号传输，使用开关键控、相移键控、基于边沿的传输或其他类型的更高阶调制等方案。图 5展示了一对非常基本的调制器/解调器，使用差分信号通 过串联电容隔离栅。这些电容器可以发送数据和非常有限的功率。图5显示了用于构建隔离栅的两个电容器，但根据产品设计的要求和所需的隔离额定值，一个电容器也可 能满足应用要求。 串联电容隔离器是多芯片模块，包含发送器（左裸片）和 并且与光耦合器相比消耗更少的偏置电流，但隔离边界的各侧仍需要单独的偏置电源电压。 TI的电容隔离器使用SiO2电介质（参阅图7）构建，该电介质在表3中列出的材料中具有最高的电介质强度。除了在其他绝缘体中具有最高的电介质强度外，SiO2还是一种 无机材料，因此在不同湿度和温度下都非常稳定。TI专有 的多层电容器和多层钝化方法降低了高电压性能对任何单层的依赖性，从而提高了隔离器的质量和可靠性。此技术 支持的工作电压(VIOWM)为2kVRMS，可承受的隔离电压(VISO)为7.5kVRMS，并且具有承受12.8kVPK浪涌电压的能力。 Wirebond ILDn ILDn HVCapacitorTopElectrode Bottomelectrode 图7.TI高压隔离SiO2电容器的横截面示例。 隔离器必须具有较长的使用寿命–远远超过那些非隔离组 接收器（右裸片）。如图6所示，每个裸片都有一个专用 件从而保护电路不受故障的影响。根据表中所列的 电容器，用于提供高电压隔离和电击防护，同时满足增强型隔离要求，相当于两级基本隔离。 ， IEC标准进行严格测试。 磁隔离 TI2 图5.调制用于通过以电容方式形成的隔离栅传输信息。