電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）不管是在汽車應(yīng)用里需要通過(guò)隔離手段將敏感的電子元器件與快速瞬變高壓組件進(jìn)行分隔，還是在工業(yè)應(yīng)用里需要各種方法來(lái)應(yīng)對(duì)高壓浪涌、高接地電位差并保護(hù)共模瞬態(tài)數(shù)據(jù)，隔離在任何高電壓系統(tǒng)中都是首先要考慮且必要的。

將范圍擴(kuò)大一點(diǎn)說(shuō)，從汽車、工廠自動(dòng)化、電網(wǎng)等常見的高壓場(chǎng)景到樓宇自動(dòng)化、醫(yī)療設(shè)備、消費(fèi)電子產(chǎn)品等相對(duì)低壓場(chǎng)景，任何需要可靠運(yùn)行的場(chǎng)景里，隔離都是確保系統(tǒng)可靠運(yùn)行的必要手段。

隨著工業(yè)電子系統(tǒng)、汽車電子系統(tǒng)這些高壓系統(tǒng)不斷升級(jí)，隔離手段也并非一成不變。每一次高壓系統(tǒng)的變化都會(huì)帶來(lái)新的隔離需求，甚至可以說(shuō)是挑戰(zhàn)。以現(xiàn)在經(jīng)常提到的電動(dòng)汽車系統(tǒng)為例，新一代電動(dòng)汽車正從400V電池系統(tǒng)向800V過(guò)渡，電壓的提升讓本就復(fù)雜的汽車電子系統(tǒng)里的隔離挑戰(zhàn)難度更上了一個(gè)臺(tái)階。

高電壓中的電隔離問(wèn)題

要在這些高壓系統(tǒng)中構(gòu)建起可靠的隔離，要考慮的因素很多，CMTI、EMI、爬電距離、電氣間隙等等。CMTI，關(guān)注隔離能力時(shí)最受關(guān)注的指標(biāo)，代表了隔離器件在高速瞬變情況下可靠運(yùn)作的能力。

隨著寬帶隙半導(dǎo)體得越來(lái)越普及，出現(xiàn)了更高瞬變電壓的邊沿速率，這讓CMTI更加重要。較低的CMTI在更高的瞬變電壓邊沿速率下，會(huì)使器件運(yùn)行不穩(wěn)定甚至直接丟失完整的信號(hào)。

在這種高電壓系統(tǒng)中，根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)基本都需要增強(qiáng)型級(jí)別的隔離等級(jí)，屬于電擊防護(hù)等級(jí)等效于雙重絕緣的單一絕緣系統(tǒng)，是高電壓系統(tǒng)的最高商用等級(jí)。與基本的隔離相比，這種級(jí)別要求的強(qiáng)制局部放電測(cè)試電壓更高，而且與基礎(chǔ)性隔離故障率1000ppm相比，其壽命期故障率規(guī)定更嚴(yán)格，僅為1ppm。這是IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)增強(qiáng)型數(shù)字容耦/磁耦的要求，對(duì)于增強(qiáng)型隔離的光耦，IEC標(biāo)準(zhǔn)并未定義。

在高壓類應(yīng)用中，出色的隔離技術(shù)能夠帶來(lái)器件超高的工作電壓環(huán)境以及足夠的可靠性，同時(shí)也需要顧及尺寸和成本。這里面封裝和材料至關(guān)重要，更好的模塑化合物和更寬的封裝才能實(shí)現(xiàn)更高的隔離等級(jí)。

總的來(lái)看，不管是在IC級(jí)別的隔離還是整個(gè)系統(tǒng)級(jí)別的隔離，高電壓系統(tǒng)的隔離總是要在更小的IC封裝尺寸、更高的集成度、低EMI、高效率的需求之間去做權(quán)衡取舍。

實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型電隔離

IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)增強(qiáng)型數(shù)字容耦/磁耦的要求很清晰，而對(duì)于增強(qiáng)型隔離的光耦，IEC標(biāo)準(zhǔn)并未在壽命期、故障率和允許使用的隔離材料上做定義。

事實(shí)上在高電壓系統(tǒng)里，光耦使用的絕緣材料電介質(zhì)強(qiáng)度都偏低，想要靠光耦實(shí)現(xiàn)高級(jí)別的隔離要通過(guò)更多的物理分割，大部分情況下CMTI也小于容耦和磁耦。一般來(lái)說(shuō)，光耦僅用于傳輸數(shù)據(jù)，而且可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)速率，這也是犧牲功耗和CMTI換來(lái)的。

最常見的增強(qiáng)型的電隔離還是容耦和磁耦，兩種技術(shù)各有千秋。由于電容天生就能阻斷直流信號(hào)，電容隔離器能實(shí)現(xiàn)高階調(diào)制，壽命長(zhǎng)、功耗低、傳輸速率也不錯(cuò)，多層電容和多層鈍化技術(shù)也相對(duì)提高了容耦在高壓浪涌上的可靠性。磁隔離則在需要高頻DCDC電源轉(zhuǎn)換的應(yīng)用中獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷，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。

高壓系統(tǒng)隔離集成趨勢(shì)

在高壓類應(yīng)用中，出色的隔離技術(shù)需要顧及尺寸和成本。從隔離器件本身的集成度來(lái)說(shuō)，電容隔離和磁隔離最大優(yōu)勢(shì)之一是能夠?qū)⑵渌到y(tǒng)要求集成到同一個(gè)封裝中，這就省去了很多分立組件。光耦的各類分立元件如電阻器、電容器、二極管等等肯定不如集成后的隔離器件在成本和尺寸上的優(yōu)勢(shì)。

從高壓系統(tǒng)隔離設(shè)計(jì)上看，集成也是隔離器件在實(shí)際應(yīng)用中的大趨勢(shì)。在電動(dòng)汽車的BMS里，能集成電源和信號(hào)傳輸?shù)母綦x器件能更好地縮小尺寸降低成本，縮小后的隔離式電源傳輸直接納入IC尺寸的封裝中，實(shí)現(xiàn)隔離式DCDC電源轉(zhuǎn)換，降低EMI風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)體積也減少了不少。

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、光伏逆變器、汽車充電器、牽引逆變器上，SiC和GaN的應(yīng)用越來(lái)越多，這需要更準(zhǔn)確快速可靠的故障檢測(cè)來(lái)診斷交流電力線波動(dòng)和電氣過(guò)載，確保高壓系統(tǒng)環(huán)境穩(wěn)定。隔離器件集成比較器，對(duì)雙向過(guò)流、過(guò)壓以及過(guò)熱進(jìn)行隔離式的檢測(cè)，不僅響應(yīng)時(shí)間快，也能有效保護(hù)SiC和GaN晶體管。

小結(jié)

在高電壓系統(tǒng)中，增強(qiáng)型隔離既保護(hù)低電壓電路免受高電壓故障影響，又能中斷接地回路來(lái)保持信號(hào)完整性。高壓系統(tǒng)中不同技術(shù)的隔離器件在更小的封裝尺寸、更高的集成度下發(fā)揮出了更多作用。