善用可靠且性价比高的隔离技术来应对高电压设计挑战

善用可靠且性价比高的隔离技术来应对高电压设计挑战Krunal ManiarProduct Marketing EngineerData ConvertersTexas InstrumentsSteven MappusSystems Applications EngineerHigh-Voltage ControllersTexas InstrumentsTim MerkinSenior Member Technical StaffKilby LabsTexas InstrumentsAlex TrianoProduct Marketing and Applications ManagerSolid-State RelaysTexas InstrumentsLuke TrowbridgeProduct Marketing EngineerIsolationTexas Instruments 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。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。1什么是电隔离？ 电隔离引入了电气隔板，可阻止电流在系统的两个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高电压电隔离问题和方法了解构建隔离栅时的主要考虑因素，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可靠地满足隔离需求，同时缩小解决方案尺寸并降低成本 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。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。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。什么是电隔离？电隔离分隔电气系统，从而防止两个器件之间产生直流电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善用可靠且性价比高的隔离技术来应对高电压设计挑战2June 2022 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。高电压电隔离问题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设备正常运行需要绝缘基本型针对电击提供基本保护的绝缘辅助除基本绝缘外可应用的独立绝缘 – 以便在基本绝缘出现故障时提供电击防护双精度同时具有基本绝缘和辅助绝缘的绝缘增强型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。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 IEC 607475-5 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。测试IEC 60747-17电容和磁隔离器IEC 60747-5-5光耦合器基础型隔离增强型隔离仅增强型隔离VIORM – 最大重复峰值隔离电压交流电压（双极）交流电压（双极）交流电压（双极）VIOWM – 最大隔离工作电压交流电压基于时间依赖型电介质击穿 (TDDB)交流电压基于 TDDB基于局部放电测试VPD – 局部放电测试电压VTEST = 1.5 × VIOWMVTEST = 1.875 × VIOWMVTEST = 1.875 × VIOWMVIOSM – 最大浪涌隔离电压VTEST = 1.3 × VIMPVTEST = 1.6 × VIMP10kVPK（最小值）10kVPK（最小值）最短额定寿命20 年 × 1.220 年 × 1.5未定义寿命期的故障率1,000ppm1ppm未定义允许使用的隔离材料二氧化硅 (SiO2) 和薄膜聚合物SiO2 和薄膜聚合物未定义表 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。善用可靠且性价比高的隔离技术来应对高电压设计挑战3June 2022 图 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隙。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，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 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。A)B)C)LeadframeLeadframeLeft dieRight dieCisolationCisolationHigh voltageSiO2 capacitorsLeft dietransmit/receiveRight dietransmit/receiveBond wiresPackage moldcompoundSiliconeLEDInsulatingtapeBarrier breakdown due to high voltage stressDetector die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。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/μmSiO2约 500VRMS/μm表 3. 半导体绝缘材料。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。善用可靠且性价比高的隔离技术来应对高电压设计挑战4June 2022 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）和接收器（右裸片）。如图 6 所示，每个裸片都有一个专用电容器，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。图 5. 调制用于通过以电容方式形成的隔离栅传输信息。PackageLeadframeLeadframeLeft dieRight die500 μmCisolation图 6. 电容隔离器示例。可以在一个 IC 封装中放置多个电容通道，任一侧可以是发送器或接收器，从而实现双向信号通信。电容隔离器具有低传播延迟，可以在超过 150Mbps 的速率下传输数据，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