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在任何高压电源系统中，首要的考虑事项是确保维护人员和终端设备用户的安全。为了同时满足这个优先事项，电隔离技术被广泛应用于将高电压与其他低电压的人机界面分离开来。其次，确定高电压和低电压电路之间的安全可靠运行成为第二个优先事项，其中包括电压和电流检测、电源控制、数字通信和信号处理等方面。利用可靠的隔离技术、材料和集成电路，设计人员能够满足这一优先级要求，并确保系统的正常运行。 什么是电隔离？ 电隔离分隔电气系统，从而防止两个器件之间产生直流电流和有害的交流电流，同时仍允许信号和电源传输。下图展示了两个电隔离电路。 当 GND1 从 GND2 断开时，I1 与 I2 实现电隔离。由于GND1 和 GND2 之间没有共性，因此没有通过隔离栅共享共同的直流接地电流。除了在不导通的情况下隔离共享的接地连接和信号通信，由于 GND2 可转移到相对于 GND1的另一个浮动电势，因此还可以使用电隔离进行电压电平转换。 由于更多的双向信号信息通过隔离栅进行通信，因此高电压系统需要更多的隔离。下图展示了以下示例：电源、高速栅极驱动器信号和数字通信信号都必须穿过隔离栅。许多模拟和数字电路都有特定的偏置电压要求，数字信号和电源都必须穿过隔离栅。在同一系统中，隔离式高分辨率模数转换器 (ADC) 可能需要 3.3V，而隔离式栅极驱动器可能需要 +15V 和–5V。这些要求不仅让信号穿过隔离栅，还要穿过电源。 高电压电隔离问题在系统中构建可靠的隔离栅时，需要考虑很多因素，包括隔离额定值、爬电距离和电气间隙、CMTI 和 EMI。功能、基本和增强型隔离指的是分配给电气系统的绝缘额定级别，如下中所列。 功能隔离指的是为系统分配极少隔离，以便使系统能够正常运行，但不一定能防止电击。功能隔离的一个例子是在给定电压额定值下维持适当的印刷电路板 (PCB) 导体间距。基本隔离提供“足够的”电击防护，具有与最高系统级电压同等的安全等级。增强型隔离是应用于高电压系统的最高商用等级。满足增强型隔离要求的一种方法是在隔离栅上引入更远的距离，使其能够承受更高的电压测试标准和更长的额定寿命。例如，在国际电工委员会 (IEC) 60747-17 和 IEC 607475-5中，与基本隔离相比，强制局部放电测试电压 (VPD) 更高。若要认证高电压系统是否符合增强型隔离要求，首先需要选择符合由各个委员会定义的安全和认证测试协议的隔离器。美国保险商实验室 (UL) 是美国的一家全球安全认证实验室，但不同的国家/地区要求遵守其当地或区域系统标准。因此，打算在全球使用的隔离器必须符合各种国际安全标准。
隔离器有几个重要参数。例如，爬电距离和间隙距离是穿过隔离栅的两根导电引线间的最短距离。如下图所示，爬电距离是在穿过 IC 封装表面的邻接导体之间测得的最短距离，而间隙距离在空气中测得。 封装技术在实现更高的爬电距离和间隙距离测量值方面起着重要的作用，可为工程师提供不同的选项。高质量模塑化合物、宽体封装和更高的增强型隔离等级相辅相成，因为更高的隔离等级需要更宽的封装和更好的模塑化合物，以便封装不会引发击穿和电弧。另一个参数是 CMTI，它指明了隔离器在高速瞬变情况下可靠运作的能力，以千伏/微秒或伏/纳秒为单位。宽带隙半导体的普及导致出现更高瞬变电压 (dV/dt) 的边沿速率，使得 CMTI 的测量对于监测隔离器的恢复性至关重要。高性能隔离器的 CMTI 额定值很容易达到 100V/ns，许多CMTI 测试的结果都超过 200V/ns。使用低 CMTI 隔离器在高 dV/dt 环境中预期会出现信号完整性问题，例如脉冲抖动、失真、运行不稳定或丢失脉冲信息。IC 级和系统级的隔离考量是类似的。我们通常要在更小的IC 封装尺寸、更高的集成度、热管理和符合认证标准与降低 EMI 和实现更高效率的需求之间进行权衡取舍。选择旨在满足 IC 级的所有这些需求的隔离型组件，有助于无缝过渡到系统级别的完全增强型合规性。
隔离方法因为 IC 可以阻断直流和低频交流电流，而允许电源、模拟信号或高速数字信号通过隔离栅，因此它们是用于在现代高电压系统中实现隔离的基本构建块。下图展示了三种常用的半导体技术：光学（光耦合器）、电场信号传输（电容式）和磁场耦合（变压器）。 每种技术都依赖一种或多种半导体绝缘材料（例如下表中列出的材料）来达到所需的隔离性能水平。更高电介质强度的材料对于在给定距离，会有更好的隔离电压效果。 光学隔离光耦合器是指在模拟和数字信号隔离应用中使用的 IC。它们的工作原理是，通过空气、环氧树脂或模塑化合物等电介质绝缘材料，将 LED 光源传输到光晶体管。从上表中可以看出，这些材料具有极低的电介质强度，因此需要更多的物理分隔来实现更高级别的隔离。尽管发光二极管光子是已知超快的电磁能量传输介质，但LED 开关速度、正向偏置要求和驱动电路将其信号速率限制在每秒几兆位以下。此外，光传输效率无法传输足够的功率以有效用作电源，因此通常光耦合器仅用于传输数据。光耦合器封装内的 LED 驱动电路和放大器等组合功能有助于实现更高的数据速率，但成本更高。输入至输出电流传输比是光耦合器增益的量度，会随着时间的推移而变化和退化。设计人员会通过超额指定所需的偏置电流来补偿这种老化效应。因此，与电容和磁隔离器相比，光耦合器往往具有更高的功耗。
电容隔离 由于电容器天生就能阻断直流信号，因此电容隔离技术基于穿过电介质的交流信号传输，使用开关键控、相移键控、基于边沿的传输或其他类型的更高阶调制等方案。下图 展示了一对非常基本的调制器/解调器，使用差分信号通过串联电容隔离栅。这些电容器可以发送数据和非常有限的功率。下图显示了用于构建隔离栅的两个电容器，但根据产品设计的要求和所需的隔离额定值，一个电容器也可能满足应用要求。 串联电容隔离器是多芯片模块，包含发送器（左裸片）和接收器（右裸片）。如下图所示，每个裸片都有一个专用电容器，用于提供高电压隔离和电击防护，同时满足增强型隔离要求，相当于两级基本隔离。 可以在一个 IC 封装中放置多个电容通道，任一侧可以是发送器或接收器，从而实现双向信号通信。电容隔离器具有低传播延迟，可以在超过 150Mbps 的速率下传输数据，并且与光耦合器相比消耗更少的偏置电流，但隔离边界的各侧仍需要单独的偏置电源电压。
磁隔离 虽然电容隔离器普遍用于低压模拟信号、数字信号传输或需要有限功率传输 (<100μW) 的应用，但集成式 IC 磁隔离技术在需要高频直流/直流电源转换的应用中具有优势。IC变压器耦合隔离的一个特定优势是可以在大多数应用中传输超过数百毫瓦的功率，无需次级侧偏置电源。也可以使用磁隔离来发送高频信号。在需要同时发送电源和数据的系统中，您可以使用相同的变压器绕组线圈来满足功率和信号需求，如下图所示。 综上所述，光学隔离、电容隔离和磁隔离作为常见的隔离技术，在通信、电子设备、电力系统等领域发挥着不可替代的作用。光学隔离通过利用光的特性实现信号的单向传输，电容隔离利用电容效应消除信号的交叉干扰，磁隔离则通过磁场的屏蔽来隔离信号。这些隔离技术保证了系统的稳定运行、数据的安全传输，并减少了干扰和噪声的影响。随着科技的不断发展，隔离技术将继续发挥着重要作用，助力各个领域的创新与进步。
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发表于 2023-10-31 20:10:33
