【導讀】電器產品都會用到電源,常見的電源包括調壓電源、開關電源、逆變電源、變頻電源、不間斷電源等。大部分電源都需要有隔離器件,以保證設備和人身安全。因采用的隔離技術不同,隔離效果也不一樣。因此,選擇隔離產品應該揚長避短,盡可能將系統性能做到最佳。
01 電源為什么需要隔離
這是一個老生常談的問題,目的是避免電源的高壓電對人體產生危害。新能源汽車就是常見的高壓電源場景,電池電壓是400V或新出現的800V,如此高的電壓會對人體產生危害;充電樁亦是如此,它將交流電轉換為高壓直流電,也需要將高低壓隔離開來,這就需要用到隔離器件。
又如,光伏或數據中心的服務器電源、工業變頻伺服應用以及一些工業電源模塊或儲能裝置,這些常見的高壓電源場景除了要避免高壓對人體的危害,還要滿足相應的安規要求。
另外,對于一些不共地的系統,如半橋拓撲的上管驅動也需要隔離;此外,雖然一些系統本身并不需要隔離,但為了提升性能,需要將高壓側的高噪聲來源與低壓側隔離開,以減少控制器端的干擾。
02 隔離的要求和分類
隔離有嚴格的安規認證,常見的是美國的UL認證、德國VDE認證以及電工協會的IEC認證等。安規認證包括兩類,一類是系統級,如IEC60065、IEC60950等;另一類是器件級,如UL1577以及IEC60747標準。IEC標準從安全角度定義了三個等級能量源,都是以電壓電流大小作為分級依據,實施相應的保護措施。值得一提的是,納芯微的所有隔離產品都通過了UL、CUL以及VDE、CQC安規認證。
電源系統中應用非常廣泛的是隔離芯片,例如,在車載充電機OBC/DC-DC系統中,高壓電池充電輸入側是220V到380V,輸出側為400V或800V;低壓電池充電是12V到48V,其中包括PFC和LLC兩級拓撲。整個系統拓撲比較復雜,往往會采用兩顆MCU做主控,兩個MCU之間的通信便需要進行隔離。此外,這些拓撲中的功率管,不管是Si MOSFET還是第三代半導體器件,都需要相應的驅動,也需要進行隔離。
另外,根據系統的控制精度要求,電壓采樣、電流采樣以及系統的對外通信也需要隔離。
03 常見的幾種隔離技術及要求
目前,行業采用的隔離技術有三種:傳統光耦、磁耦和容耦技術。傳統光耦技術應用最廣泛、歷史最長。它以光為介質將輸入信號耦合到輸出端,但是體積較大,傳輸速度較慢,隨著使用時間的增長會出現光衰,且工作溫度范圍較窄。磁耦和容耦是目前比較主流的隔離技術。磁耦耐壓高、傳輸速度快、溫度范圍寬,但工藝復雜,有EMI輻射;容耦耐壓高,傳輸速度快,傳輸延遲僅為二三十納秒,工作溫度范圍非常寬,工藝并不復雜,具有很高的可靠性。
納芯微的隔離芯片便是基于容耦技術,采用Adaptive OOK?自適應編碼技術,EMI輻射低,誤碼率低,還能有效提高隔離器件抗共模噪聲(CMTI)的能力。
隔離產品的重要指標包括:隔離耐壓等級、CMTI能力、EMC性能以及傳輸延遲和工作溫度、隔離壽命等。納芯微隔離產品的隔離電壓等級高達10kV,CMTI至少100kV/μs;抗浪涌超過10kV,雙邊ESD超過15kV。
04 電源系統的趨勢和應用難點
1. 電源系統的趨勢
● 高集成化:電源系統正往更高集成度的趨勢發展,因此也需要更高集成度的IC,例如將電源和數字隔離器集成在一起,以降低工程師設計隔離電源的復雜程度。
● 高壓化、高頻化:光伏系統已從800V轉到1500V,第三代半導體(氮化鎵或碳化硅)的應用也越來越廣泛,系統開關頻率越來越高,速度越來越快。隔離產品需要有更高的CMTI能力,能承受更高電壓,EMI性能更好。
● 高可靠性:隔離芯片均需要通過嚴格的安規認證。
2. 電源系統的應用難點
電源系統的應用難點在于,第三代功率器件對驅動芯片提出了更高的要求,如CMTI大于100kV/μs水平。由于碳化硅驅動電壓更高,要求驅動器輸出電壓范圍擺幅更寬。此外,產品開關速率要更快,并降低開關損耗,驅動器具有輸出更大的Source或Sink電流能力,芯片內部上升或下降時間更短,傳輸延時更小。
碳化硅驅動芯片的新功能是“米勒鉗位”,隨著SiC的開關,橋臂中點有很大dv/dt,下管Cgd電容會產生一個米勒電流,即使下管處于關斷狀態,也會通過下管關斷電阻產生一個壓降??紤]到碳化硅器件的導通閾值比較低(2V左右),如果壓降較大會造成下管誤導通,系統就會有短路風險。
“米勒鉗位”功能可以應對碳化硅應用中的這個問題。在芯片中增加一個MOSFET可以直接將GND和碳化硅柵極相連,當下管關斷后,會跳過下管驅動電阻,直接將柵極短路到GND,以此消除米勒電流造成的壓差,從而避免米勒效應導致下管誤導通的風險。
納芯微的隔離類產品
納芯微的隔離產品品類非常齊全,包括數字隔離器、隔離驅動、隔離電壓/電流采樣、隔離CAN收發器。驅動方面,不管是MOS、IGBT還是碳化硅,都有相應的隔離產品。采樣方面,既有模擬輸出隔離運放,也有數字輸出隔離ADC,滿足不同應用場景對采樣率和采樣精度的要求。接口方面,隔離I2C接口、485或CAN接口產品都很豐富,能夠為客戶的電源設計提供一站式解決方案。
納芯微的產品采用容耦技術,順應了當前集成化、高壓化、可靠性的電源應用趨勢,滿足第三代功率器件對驅動芯片提出的更高要求。其隔離產品品類非常齊全,包括數字隔離器、隔離驅動、隔離電壓/電流采樣、隔離CAN收發器,能夠為工程師提供多樣化的選擇。
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