為什么隔離對(duì)我們的電力電子設(shè)備很重要

在每個(gè)高壓技術(shù)故事中，我們很有可能會(huì)在幕后發(fā)現(xiàn)一項(xiàng)孤立無(wú)名的創(chuàng)新。

隔離——一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)技術(shù)，嵌入從電動(dòng)汽車 (EV) 到自動(dòng)化工廠設(shè)備和醫(yī)療設(shè)備的所有領(lǐng)域——很少成為頭條新聞。這是設(shè)計(jì)使然。

“我們不希望人們聽(tīng)到隔離，”領(lǐng)導(dǎo)我們公司汽車電源設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的Pradeep Shenoy說(shuō)?！叭绻綦x出現(xiàn)在新聞中，那就意味著存在問(wèn)題?！?

保持電路隔離是具有交流 (AC) 和直流 (DC) 電源的設(shè)備的重要設(shè)計(jì)元素。對(duì)于依賴高壓的電路來(lái)說(shuō)尤其如此。如果沒(méi)有正確實(shí)施隔離，可能會(huì)發(fā)生電磁干擾、電氣損壞、短路、火災(zāi)或觸電。

“如何實(shí)現(xiàn)隔離很重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響系統(tǒng)的其他部分，影響電磁干擾、效率和空間，”Pradeep 說(shuō)。“而那些嘈雜的干擾可能會(huì)中斷數(shù)據(jù)傳輸或中斷電機(jī)，這是你使用隔離的主要例子?！?

應(yīng)對(duì)不斷發(fā)展的隔離挑戰(zhàn)

現(xiàn)在，人們接觸到更廣泛的高壓應(yīng)用，比如使用400或800伏的電動(dòng)汽車，使用400伏電池組，隔離正成為一個(gè)更常見(jiàn)的挑戰(zhàn)。管理這些電池并與車輛其他部分進(jìn)行通信的系統(tǒng)需要隔離組件，這可以增加車輛的尺寸、重量和成本。隨著個(gè)人電子產(chǎn)品變得更加復(fù)雜和小型化，電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)也在增加——一種開(kāi)關(guān)電流和電壓的不良副產(chǎn)品。為了幫助工程師從設(shè)計(jì)中消除組件并降低解決方案尺寸和成本，我們公司的新型固態(tài)繼電器將電源和信號(hào)傳輸集成在一個(gè)芯片上，具有足夠的容量來(lái)支持下一代電動(dòng)汽車、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)機(jī)器人等等。這些芯片的顯著集成度僅能占用傳統(tǒng)隔離元件所需空間的十分之一。

“如果沒(méi)有集成，我們需要一個(gè)外部變壓器來(lái)處理隔離，這些部件會(huì)增加設(shè)計(jì)的體積和復(fù)雜性，”領(lǐng)導(dǎo)我們公司工業(yè)電源設(shè)計(jì)服務(wù)團(tuán)隊(duì)的 Robert Taylor 說(shuō)?！爱?dāng)一切都是獨(dú)立的時(shí)，它會(huì)增加可靠性?！?

一些傳統(tǒng)的隔離設(shè)計(jì)使用物理繼電器，其運(yùn)動(dòng)部件使它們?cè)跇O端高溫、低溫或振動(dòng)等不利條件下容易發(fā)生故障。具有集成電源和信號(hào)隔離功能的固態(tài)繼電器沒(méi)有會(huì)隨著時(shí)間推移而磨損的活動(dòng)部件，因此其預(yù)期壽命是繼電器的 10 倍。

我們公司也是少數(shù)幾家將磁隔離集成到固態(tài)器件中的制造商之一，也是唯一一家在磁隔離和電容隔離方面持續(xù)投資的公司。我們?cè)陔娙莺痛鸥綦x、封裝開(kāi)發(fā)和工藝技術(shù)方面的進(jìn)步，可以安全可靠地跨越工業(yè)和汽車系統(tǒng)(如電動(dòng)汽車、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工廠自動(dòng)化和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器)的隔離柵提供電力和高速信號(hào)。

“高壓對(duì)于高效和經(jīng)濟(jì)地傳輸電力至關(guān)重要，而隔離對(duì)于任何有高壓的地方的安全都至關(guān)重要，”我們公司的企業(yè)研發(fā)集團(tuán) Kilby Labs 的電源管理總監(jiān) Jeff Morroni 說(shuō)?！袄纾陔妱?dòng)汽車的電池管理和其他系統(tǒng)中，我們需要通過(guò)確保高壓不會(huì)進(jìn)入底盤來(lái)防止電擊。隨著隔離需求的發(fā)展，我們將繼續(xù)尋找創(chuàng)新的方法來(lái)保證人員及其與之交互的高壓系統(tǒng)的安全?！?

實(shí)踐中的隔離

為了更好地理解隔離的重要性，請(qǐng)考慮它在當(dāng)今一些主要市場(chǎng)中所扮演的角色。

電動(dòng)汽車：電動(dòng)汽車有一個(gè)高壓電池(通常為 400 或 800 伏)來(lái)提供動(dòng)力，還有一個(gè)傳統(tǒng)的低壓電池，用于車內(nèi)便利和信息娛樂(lè)。隔離起到保護(hù)器和性能助推器的雙重作用。

Pradeep 說(shuō)：“電動(dòng)汽車中的隔離有助于在我們關(guān)閉汽車時(shí)保護(hù)駕駛員，但它在使 EV 電池盡可能長(zhǎng)的使用壽命方面也發(fā)揮著重要作用?！备綦x允許系統(tǒng)監(jiān)督、監(jiān)控和保護(hù)電池單元安全、準(zhǔn)確地與中央微控制器通信，后者以不同的電壓運(yùn)行?！?

工業(yè)自動(dòng)化：隔離技術(shù)的改進(jìn)可以防止可能損壞設(shè)備或傷害人類的高壓浪涌。它還可以屏蔽傳感器、電機(jī)、機(jī)器人和其他設(shè)備等自動(dòng)化設(shè)備免受信號(hào)干擾，使其能夠可靠運(yùn)行。“隔離技術(shù)保護(hù)電力、通信和控制——這些功能可在整個(gè)工廠車間實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化，并提高效率、生產(chǎn)力和安全性，”羅伯特說(shuō)。“但最重要的功能是安全和保護(hù)最終用戶?！?

太陽(yáng)能和智能電網(wǎng)：無(wú)論在哪里發(fā)電和輸電，都需要一些隔離技術(shù)。這包括將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電網(wǎng)電力的家用太陽(yáng)能電池板。

“來(lái)自太陽(yáng)能電池板的高壓需要被隔離，然后轉(zhuǎn)換為交流電流，當(dāng)電壓通過(guò)電網(wǎng)時(shí)需要降壓，”羅伯特說(shuō)?！懊看挝覀儗⑵浣祲簳r(shí)——從高壓到進(jìn)入你家外變壓器的中壓——都需要不同的隔離層，以便安全地完成?！?

醫(yī)療設(shè)備：降低成本始終是醫(yī)療保健的首要任務(wù)。固態(tài)隔離器件尺寸和復(fù)雜性的減小使設(shè)計(jì)人員能夠在不犧牲安全性或特性的情況下開(kāi)發(fā)更小的電路?，F(xiàn)代固態(tài)隔離的更高可靠性支持醫(yī)療保健中對(duì)高正常運(yùn)行時(shí)間和低故障率的要求。

“在 TI，我們一直在為高壓系統(tǒng)開(kāi)發(fā)集成電路中的隔離技術(shù)已有 20 年了，”Jeff 說(shuō)?！拔覀冋诶^續(xù)尋找新的方法來(lái)改善隔離，使工程師能夠降低復(fù)雜性并保持電源系統(tǒng)的安全性?！?