為什么隔離對我們的電力電子設(shè)備很重要

在每個高壓技術(shù)故事中，我們很有可能會在幕后發(fā)現(xiàn)一項孤立無名的創(chuàng)新。

隔離——一項重要的基礎(chǔ)技術(shù)，嵌入從電動汽車 (EV) 到自動化工廠設(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)計使然。

“我們不希望人們聽到隔離，”領(lǐng)導我們公司汽車電源設(shè)計團隊的Pradeep Shenoy說?！叭绻綦x出現(xiàn)在新聞中，那就意味著存在問題?！?

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)計元素。對于依賴高壓的電路來說尤其如此。如果沒有正確實施隔離，可能會發(fā)生電磁干擾、電氣損壞、短路、火災或觸電。

“如何實現(xiàn)隔離很重要，因為它會影響系統(tǒng)的其他部分，影響電磁干擾、效率和空間，”Pradeep 說?！岸切┼须s的干擾可能會中斷數(shù)據(jù)傳輸或中斷電機，這是你使用隔離的主要例子。”

應(yīng)對不斷發(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伏的電動汽車，使用400伏電池組，隔離正成為一個更常見的挑戰(zhàn)。管理這些電池并與車輛其他部分進行通信的系統(tǒng)需要隔離組件，這可以增加車輛的尺寸、重量和成本。隨著個人電子產(chǎn)品變得更加復雜和小型化，電磁干擾的風險也在增加——一種開關(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傳輸集成在一個芯片上，具有足夠的容量來支持下一代電動汽車、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)機器人等等。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。

“如果沒有集成，我們需要一個外部變壓器來處理隔離，這些部件會增加設(shè)計的體積和復雜性，”領(lǐng)導我們公司工業(yè)電源設(shè)計服務(wù)團隊的 Robert Taylor 說。“當一切都是獨立的時，它會增加可靠性?！?

一些傳統(tǒng)的隔離設(shè)計使用物理繼電器，其運動部件使它們在極端高溫、低溫或振動等不利條件下容易發(fā)生故障。具有集成電源和信號隔離功能的固態(tài)繼電器沒有會隨著時間推移而磨損的活動部件，因此其預期壽命是繼電器的 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。我們在電容和磁隔離、封裝開發(fā)和工藝技術(shù)方面的進步，可以安全可靠地跨越工業(yè)和汽車系統(tǒng)(如電動汽車、電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、工廠自動化和電機驅(qū)動器)的隔離柵提供電力和高速信號。

“高壓對于高效和經(jīng)濟地傳輸電力至關(guān)重要，而隔離對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 Kilby Labs 的電源管理總監(jiān) Jeff Morroni 說。“例如，在電動汽車的電池管理和其他系統(tǒng)中，我們需要通過確保高壓不會進入底盤來防止電擊。隨著隔離需求的發(fā)展，我們將繼續(xù)尋找創(chuàng)新的方法來保證人員及其與之交互的高壓系統(tǒng)的安全?！?

實踐中的隔離

為了更好地理解隔離的重要性，請考慮它在當今一些主要市場中所扮演的角色。

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

Pradeep 說：“電動汽車中的隔離有助于在我們關(guān)閉汽車時保護駕駛員，但它在使 EV 電池盡可能長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)控和保護電池單元安全、準確地與中央微控制器通信，后者以不同的電壓運行?！?

工業(yè)自動化：隔離技術(shù)的改進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、機器人和其他設(shè)備等自動化設(shè)備免受信號干擾，使其能夠可靠運行?！案綦x技術(shù)保護電力、通信和控制——這些功能可在整個工廠車間實現(xiàn)智能自動化，并提高效率、生產(chǎn)力和安全性，”羅伯特說?！暗钪匾墓δ苁前踩捅Ｗo最終用戶。”

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

“來自太陽能電池板的高壓需要被隔離，然后轉(zhuǎn)換為交流電流，當電壓通過電網(wǎng)時需要降壓，”羅伯特說?！懊看挝覀儗⑵浣祲簳r——從高壓到進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)隔離器件尺寸和復雜性的減小使設(shè)計人員能夠在不犧牲安全性或特性的情況下開發(fā)更小的電路。現(xiàn)代固態(tài)隔離的更高可靠性支持醫(yī)療保健中對高正常運行時間和低故障率的要求。

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