高電壓系統(tǒng)少不了隔離技術(shù)，電動汽車中該如何應(yīng)用？

發(fā)布時間：

2022-08-22

在一個高壓電源系統(tǒng)里，我們首先考量的肯定是安全性。不管是汽車應(yīng)用里通過隔離來實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信的需求愈發(fā)明顯，還是工業(yè)系統(tǒng)中對高壓浪涌、大接地電位差、高側(cè)組件通信以及共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)的保護(hù)愈發(fā)迫切，器件隔離的引入才能實(shí)現(xiàn)安全可靠的運(yùn)行。

接下來，我們具體說說引入隔離技術(shù)的原因、不同等級的高電壓隔離、常見的隔離方法，以及在電動汽車中的應(yīng)用。

為何引入隔離？

當(dāng)兩個設(shè)備或電路通信時，直流電流和交流信號通常自由流動。在低壓系統(tǒng)中，這種工作方式是安全的。但當(dāng)高電壓進(jìn)入系統(tǒng)時，高電壓的存在會引入顯著的電位差，自由流動的直流電流和一些交流信號就不再是安全的了。電隔離分隔電氣系統(tǒng)，從而防止這些部分產(chǎn)生直流電流和有害的交流電流的同時仍允許信號和電源傳輸。

高壓信號電氣隔離應(yīng)用場景:在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境, 當(dāng)兩臺設(shè)備所處電位有差異，尤其是當(dāng)目標(biāo)設(shè)備附近有大功率設(shè)備在工作時，設(shè)備之間的地電位通常會有數(shù)十伏的差異，這種情況下如果將兩臺設(shè)備直接相連，就會產(chǎn)生很大的地環(huán)路電流。這種地環(huán)路電流往往會遠(yuǎn)超信號電流，輕則使通信無法進(jìn)行，重則會燒毀電路，這種情況下就需要對通信線路進(jìn)行電氣隔離，以切斷上述地環(huán)路電流。

在電機(jī)控制應(yīng)用, 系統(tǒng)需要操控一個高壓大功率電機(jī)的運(yùn)行，同時操作人員又需要通過人機(jī)接口和電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)生聯(lián)系，這種情況下，如果控制系統(tǒng)沒有和高壓功率電路進(jìn)行可靠的隔離，高電壓就會順著控制信號線進(jìn)入控制系統(tǒng)，并對操作人員造成電擊，危及操作人員的生命安全。

如果我們的系統(tǒng)需要采集一個來自于設(shè)備外部的小信號，由于環(huán)境中充滿著復(fù)雜的電磁干擾，信號線往往會感應(yīng)到大量的電磁干擾，這種干擾有時甚至?xí)h(yuǎn)大于我們需要采集的信號，如果不對干擾加以適當(dāng)隔離，干擾往往會將有用信號淹沒掉。

概況來說，電路之間引入隔離的大致有三個主要原因，其一當(dāng)然是滿足安全法規(guī)確保安全，防止電流從高壓電位元件通過人體流向接地，提高安全性。

第二個原因是為了解決接地電位差，也就是常說的接地回路，這可能導(dǎo)致通信子系統(tǒng)之間的不準(zhǔn)確或中斷。接地電位從一個電路到另一個電路的變化會產(chǎn)生電壓差，當(dāng)電流流過接地回路時，如果出現(xiàn)顯著的電壓差會導(dǎo)致數(shù)據(jù)通信出現(xiàn)錯誤。

第三個原因也和接地環(huán)路有關(guān)，隔離可以用來降低接地環(huán)路的噪聲，提高電路抗噪性。50/60Hz的環(huán)境噪聲會讓系統(tǒng)抓取不需要的電流信息，隔離可以斷開接地環(huán)路保證信號的完整性。這些是外部的噪聲源，其實(shí)更大的噪聲源來自內(nèi)部，即系統(tǒng)內(nèi)的瞬態(tài)行為。設(shè)備切換工作模式發(fā)生瞬態(tài)時，信號路徑上就產(chǎn)生高轉(zhuǎn)換率的瞬態(tài)電壓。這一瞬態(tài)行為和隔離器件的CMTI直接掛鉤。

不同等級的高電壓隔離

想要在一個系統(tǒng)中構(gòu)建可靠的隔離，需要考慮的因素很多，隔離的額定值、CMTI、EMI、電氣間隙等等。按照分配給電氣系統(tǒng)的隔離級別，有功能隔離、基本隔離、輔助隔離、以及增強(qiáng)型隔離。

功能隔離只會給系統(tǒng)分配極少的隔離，以便系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，但功能隔離并不能防止電擊。這種等級的隔離僅僅滿足設(shè)備正常運(yùn)行所需的要求?；靖綦x具有與最高系統(tǒng)級電壓同等的安全等級，能夠在滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下提供足夠的電擊防護(hù)。

輔助隔離在基本隔離的基礎(chǔ)上，添加了額外的獨(dú)立隔離，主要是為了應(yīng)對基本隔離出現(xiàn)故障時系統(tǒng)不至于受到損壞。增強(qiáng)型隔離是應(yīng)用于高電壓系統(tǒng)的最高商用等級，能夠承受更高的電壓測試標(biāo)準(zhǔn)和更長的額定壽命。

作為隔離應(yīng)用里最重要的指標(biāo)之一，CMTI體現(xiàn)了隔離器件在高速瞬變情況下可靠運(yùn)作的能力。高性能隔離器件CMTI額定值很容易達(dá)到100V/ns，在一些隔離器件的測試中CMTI超過 200V/ns的也不少。這和寬帶隙半導(dǎo)體的普及有很大關(guān)系，寬帶隙半導(dǎo)體的普及使得隔離器件能夠達(dá)到更高瞬變電壓（dV/dt）的邊沿速率。

常見的隔離辦法

對于電路隔離，分為模擬和數(shù)字隔離。模擬隔離在ADC輸入端前面提供隔離模擬信號，然后ADC輸入將信號數(shù)字化，隔離放大器或隔離ADC常用于隔離模擬信號。通過隔離的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，模擬隔離可以避免放大器增益誤差，調(diào)制器直接采樣模擬輸入信號，這種隔離可以實(shí)現(xiàn)高分辨率隔離輸入。數(shù)字隔離是隔離數(shù)字輸入信號的方法。數(shù)字隔離在電氣隔離器狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號傳遞，提供電流隔離數(shù)字信號路徑。

兩種隔離里常用的隔離半導(dǎo)體技術(shù)是光耦、容耦和磁耦。每種技術(shù)使用具有不同介電強(qiáng)度的不同絕緣體材料。就光耦使用的絕緣材料來說，電介質(zhì)強(qiáng)度都偏低，想要實(shí)現(xiàn)高級別的隔離要通過更多的物理分割。基于光耦的隔離，Broadcom作為行業(yè)龍頭共模瞬變抗擾度行業(yè)指標(biāo)在50 kV/µs，這已經(jīng)屬于光耦技術(shù)下很高的CMTI。光耦總是要在CMTI和拓展性上做出取舍。雖然光耦可以做到很高的數(shù)據(jù)速率，但這會在寄生電容上有所犧牲，功耗會升高，而且會大大降低光耦的CMTI。不過厚絕緣層的耐壓優(yōu)勢讓光耦的使用場景也很穩(wěn)定。

由于電容天生就能阻斷直流信號，因此電容隔離技術(shù)基于穿過電介質(zhì)的交流信號傳輸可以使用更高階調(diào)制等方案。作為三種技術(shù)中內(nèi)部絕緣厚度最小的技術(shù)，基于二氧化硅的容耦比基于聚酰亞胺的磁耦厚度小了接近10µm。容耦采用片上電容原理實(shí)現(xiàn)信號的隔離傳輸，壽命長、功耗低、傳輸速率高。唯一的不足在于，在高壓系統(tǒng)里，絕緣厚度是有限制意味著容耦的浪涌保護(hù)能力會比較有限。不過也有多層電容和多層鈍化方法來提高容耦在高壓浪涌上的可靠性。

磁隔離技術(shù)在需要高頻直流/直流電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中是最具有優(yōu)勢的，可以在大多數(shù)應(yīng)用中傳輸超過數(shù)百毫瓦的功率，無需次級側(cè)偏置電源，還能發(fā)送高頻信號。改善傳輸延遲和延遲偏差這是其他隔離技術(shù)沒辦法實(shí)現(xiàn)的。

電動汽車應(yīng)用

為減輕重量、增加扭矩、提高效率并加快充電速度，電動汽車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非常關(guān)鍵的電動汽車子系統(tǒng)，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(zhuǎn)交流逆變器配置中，該牽引逆變器使用隔離柵極驅(qū)動器來驅(qū)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(xié)同封裝多達(dá)六個IGBT或SiC開關(guān)，至多需要六個隔離變壓器，為六個獨(dú)立的柵極驅(qū)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(qū)動器偏置應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)更高的性能，同時通過減少外部變壓器的數(shù)量來充分縮小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，BMS使用預(yù)充電電路。我們的5kVRMS TPSI3050-Q1 隔離開關(guān)驅(qū)動器旨在取代機(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間的推移而退化。圖4說明了 TPSI3050-Q1 與機(jī)械繼電器相比所能節(jié)省的面積。

在工業(yè)和汽車這種高壓系統(tǒng)多的應(yīng)用中，高等級的隔離能保護(hù)低電壓電路免受高電壓故障影響，中斷接地回路來保持信號完整性，從而實(shí)現(xiàn)不同電壓域之間的通信。隨著高壓系統(tǒng)電源管理的集成度越來越高，需要實(shí)現(xiàn)的隔離、保護(hù)功能也越來越多，不同技術(shù)的隔離器件在更小的IC封裝尺寸、更高的集成度、更低EMI以及更高效率的需求之間需要做出權(quán)衡取舍。