技術

                      如何設計可靠性更高、尺寸更小、成本更低的高電壓系統解決方案

                      2025China.cn   2022年07月05日

                        工廠自動化設備、電網基礎設施應用、電機驅動器和電動汽車 (EV) 等高電壓工業和汽車系統能夠產生數百至數千伏的電壓,這不僅會縮短設備壽命,甚至會給人身安全帶來重大風險。本文將介紹如何利用全新隔離技術來保證這些高電壓系統的安全,從而提高可靠性,同時縮小解決方案尺寸并降低成本。

                        隔離方法

                        集成電路 (IC) 實現隔離的方式是阻斷直流和低頻交流電流,而允許電源、模擬信號或高速數字信號通過隔離柵傳輸。圖 1 展示了三種用于實現隔離的常用半導體技術:光學(光耦合器)、電場信號傳輸(電容式)和磁場耦合(變壓器)。

                      (a)

                      (b)

                      (c)

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

                        TI 利用電容隔離技術和專有集成平面變壓器(磁隔離),以及先進的封裝和工藝技術,力求提升我們大型且品類齊全的隔離式 IC 產品系列的可靠性、集成度和性能。

                        電容隔離

                        電容隔離技術基于穿過電介質的交流信號傳輸。TI 的電容隔離器使用介電強度很高的 SiO2 電介質構建。因為 SiO2 為無機材料,所以在不同濕度和溫度條件下都非常穩定。此外,我們專有的多層電容器和多層鈍化方法可降低高電壓性能對任何單層的依賴,從而提高隔離器的質量和可靠性。我們的電容技術支持的工作電壓 (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/直流電源轉換的應用。IC 變壓器耦合隔離的一個優勢是可以傳輸超過數百毫瓦的功率,通常無需次級側偏置電源。也可以使用磁隔離來發送高頻信號。在需要同時輸送電力和傳輸數據的系統中,您可以使用相同的變壓器繞組線圈來滿足功率和信號需求,如圖 2 所示。將信號和電力輸送功能結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 就是把數據傳輸和電力輸送結合在同一變壓器通道上。

                      圖 2:使用磁隔離通過隔離柵可靠地輸送電力和信號

                        對于磁隔離,TI 使用專有多芯片模塊方法,協同封裝高性能平面變壓器與隔離式功率級和專用控制器裸片。我們可以使用高性能鐵氧體磁芯來構建這些變壓器,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用中使用空芯,從而節省成本并降低復雜性。

                        電動汽車應用

                        為減輕重量、增加扭矩、提高效率并加快充電速度,電動汽車高電壓電池組的電平從 400V 增加到 800V,甚至高達 1kV。電池管理系統 (BMS) 和牽引逆變器是兩個非常關鍵的電動汽車子系統,需要將 800V 域與底盤隔離,從而確保乘客及其車輛的安全。

                        圖 3 所示框圖是牽引逆變器的示例,在三相直流轉交流逆變器配置中,該牽引逆變器使用隔離柵極驅動器來驅動高電壓絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 或碳化硅 (SiC) 模塊。這些模塊可協同封裝多達六個 IGBT 或 SiC 開關,至多需要六個隔離變壓器,為六個獨立的柵極驅動器 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、柵極驅動器偏置應用中實現更高的性能,同時通過減少外部變壓器的數量來充分縮小 PCB 面積。

                      圖 3:典型的牽引逆變器系統方框圖

                        此外,將高電壓電池端子連接到子系統時,BMS 使用預充電電路。我們的 5kVRMS TPSI3050-Q1 隔離開關驅動器旨在取代機械預充電接觸器,實現更小、更可靠的固態解決方案。該器件可提供高達 5kVRMS 的增強型隔離,工作壽命為機電繼電器的 10 倍,且不像機電繼電器那樣容易隨著時間的推移而退化。圖 4 說明了 TPSI3050-Q1 與機械繼電器相比所能節省的面積。

                      圖 4:使用基于磁隔離的固態繼電器驅動器 (TPSI3050) 縮小解決方案尺寸

                        電網基礎設施應用

                        隔離是電網基礎設施應用中的必備要素,它能夠保護設備和人員免受高壓浪涌的損害,消除互連時涉及較大接地電位差 (GPD) 的破壞性接地回路,并在共模瞬態事件期間保持數據完整性。

                        太陽能設備和電動汽車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汽車充電和太陽能中的絕緣監測 AFE 參考設計。該參考設計使用我們的 AMC3330 精密隔離放大器和 TPSI2140-Q1 隔離開關,在電網基礎設施應用中監測絕緣電阻。由于沒有移動器件,這種固態繼電器解決方案可以執行數十年的頻繁測量,且不會降低性能。電力和信號均可通過 TPSI2140-Q1 內的隔離柵輸送,因此無需次級側偏置電源。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械繼電器的解決方案小 50%。

                      圖 5:高壓電動汽車充電和太陽能中的絕緣監測 AFE 方框圖

                        結語

                        TI 將更多功能集成到隔離技術中,助力工程師在電動汽車和電網基礎設施等應用中保持解決方案的安全性,同時降低設計復雜性、縮小解決方案尺寸并降低成本。

                      (轉載)

                      標簽:德州儀器 高電壓系統解決方案 我要反饋 
                      西克
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