Other Parts Discussed in Post: TPSI3050, TPSI2140-Q1

作者:德州儀器 Timothy Merkin

 

工廠自動化設備、電網基礎設施應用、馬達驅動和電動車 (EV) 等高壓工業和汽車系統可產生數百至數千伏的電壓,這對人類構成重大安全風險,並且可能縮短設備壽命。本文介紹如何運用最新的絕緣技術來確保這些高壓系統安全無虞,藉此提高可靠性,同時縮減解決方案的尺寸和成本。

絕緣方法

積體電路 (IC) 透過阻斷直流和低頻交流電流來進行絕緣,同時電源、類比訊號或高速數位訊號透過絕緣層傳輸。圖 1 顯示用於進行絕緣的三種常用半導體技術:光學 (光耦合器)、電場訊號傳輸 (電容式) 和磁場耦合 (變壓器)。

                                        (a)

                                       (b)

                                     (c)

1. 半導體絕緣技術:光耦合器 (a);電容式 (b);變壓器 (c)

TI 運用電容式絕緣技術和專有的整合式平板變壓器 (磁絕緣),以及先進的封裝和製程技術,透過眾多的多樣化絕緣 IC 產品組合達到最高的可靠性、整合度和效能。


運用可靠的絕緣技術克服高壓設計挑戰

參閱我們的白皮書,瞭解常見的高壓電絕緣問題和方法,以及如何在工業和汽車系統中可靠地進行高壓絕緣,同時縮減解決方案尺寸和成本。

電容式絕緣

電容式絕緣技術採用跨介電質的交流訊號傳輸。TI 的電容式絕緣器採用 SiO2 介電質構成,可提供相當高的介電強度。由於 SiO2 是無機材料,因此這在濕度和溫度下也相當穩定。此外,我們用於多層電容器和多層鈍化的專有方法能夠降低高壓效能對任何單層的依賴性,因此提高絕緣器的品質和可靠性。我們的電容技術支援 2 kVRMS 的工作電壓 (VIOWM),承受 7.5 kVRMS 的絕緣電壓 (VISO),並擁有 12.8 kVPK 的突波電壓能力。

磁絕緣

磁絕緣通常用於需要高頻 DC/DC 電源轉換的應用。其中一個IC 變壓器耦合絕緣的優點是能夠傳輸超過數百毫瓦的功率,這通常不需要二次側偏置電源。另外也可以使用磁絕緣來傳送高頻訊號。在需要同時傳送電力和資料的系統中,您可以使用相同的變壓器繞組線圈來滿足電力和訊號需求,如圖 2 所示。透過在同一個整合式變壓器線圈上結合訊號和功率傳輸,可以盡可能縮減解決方案的成本和尺寸。TPSI3050-Q1TPSI3052-Q1 都運用同一個變壓器通道上所組合的資料和功率傳輸。

    圖 2. 使用磁絕緣透過絕緣層可靠地傳送電源和訊號

TI 使用專有的多晶片模組方法進行磁絕緣,此方法將高效能平板變壓器與絕緣功率級和專用控制器晶片共同封裝。我們可以使用高效能鐵氧體磁芯製作這些變壓器,藉以提高耦合和變壓器效率,或者在應用只需要適度的功率傳輸時使用空芯來降低成本和複雜性。 

確實滿足絕緣需求,同時縮減解決方案尺寸和成本。

不同的應用需要不同的絕緣方法。讓我們看一些實例,瞭解 TI IC 如何以極高的可靠性協助解決電動車和電網基礎設施應用中的高壓絕緣需求,同時縮減解決方案的尺寸和成本。.

電動車應用

減輕重量、增加扭矩、提高效率和加快充電速度將電動車的高壓電池組從 400 V 提升到 800 V,甚至高達 1 kV。電池管理系統 (BMS)牽引逆變器是兩個最關鍵的電動車子系統,其中 800 V 域需要與底盤絕緣,藉以協助確保乘客和車輛的安全。

圖 3 所示的原理圖是牽引逆變器的範例,此逆變器使用絕緣式閘極驅動器來驅動三相直流到交流逆變器配置中的高壓絕緣柵雙極電晶體 (IGBT) 或碳化矽 (SiC) 模組。這些模組可以共同封裝多達六個 IGBT 或 SiC 開關,這需要多達六個絕緣變壓器,為六個獨立的閘極驅動器 IC 供電。我們的 UCC14240-Q1 是雙輸出、中壓、絕緣式 DC/DC 電源模組,可在牽引逆變器、閘極驅動器偏置應用中達到更高的效能,同時透過減少外部變壓器的數量盡可能縮小 PCB 面積。

                                     圖 3. 典型的牽引逆變器系統原理圖。

此外,BMS 在將高壓電池端子連接到子系統時使用預充電電路。我們的 5-kVRMS TPSI3050-Q1 絕緣式開關驅動器能夠替代機械預充電接觸器,藉以實現更小、更可靠的固態解決方案。這提供高達 5 kVRMS 的強化型絕緣,使用壽命比電機繼電器高 10 倍,電機繼電器會隨著時間劣化。  圖 4 說明 TPSI3050-Q1 相較於機械繼電器可縮減的面積。

   

                    圖 4. 使用採用磁絕緣的固態繼電器驅動器 (TPSI3050) 縮減解決方案尺寸。

電網基礎設施應用

絕緣在電網基礎設施應用中不可或缺,藉以防止可能損壞設備或傷害人類的高壓浪湧、消除涉及大地電位差 (GPD) 的互連中的破壞性接地迴路,並在共模瞬態事件期間保持資料完整性。

太陽能設備和電動車充電器可以在 200 V 至 1,500 V 或更高的電壓範圍內運作。圖 4 顯示高壓電動車充電和太陽能參考設計中的絕緣監測的 AFE,此參考設計使用我們的 AMC3330 精密絕緣放大器和 TPSI2140-Q1 絕緣開關在電網基礎設施應用中提供的絕緣電阻監測。由於沒有可動零件,因此這種固態繼電器解決方案可以執行數十年的頻繁測量,效能完全不會降低。電源和訊號都可透過 TPSI2140-Q1 內的絕緣層傳輸,因此不需要二次側偏置電源。由於此裝置採用薄型小尺寸 IC (SOIC) 封裝,因此解決方案尺寸可以比採用光繼電器或機械繼電器的解決方案縮小 50%。

  

            圖 5. 高壓電動車充電和太陽能中的絕緣監測所用的 AFE 原理圖。

結論

TI 的絕緣技術整合更多功能,使工程師能夠保持電動車和電網基礎設施等應用的安全性,同時降低設計複雜性、解決方案尺寸和成本。請造訪 ti.com/isolationtechnology,瞭解我們如何擴展電容和磁絕緣技術加入更多類比功能。

其他資源

 

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