为什么隔离对我们的电力电子设备很重要

在每个高压技术故事中，我们很有可能会在幕后发现一项孤立无名的创新。

隔离——一项重要的基础技术，嵌入从电动汽车 (EV) 到自动化工厂设备和医疗设备的所有领域——很少成为头条新闻。这是设计使然。

“我们不希望人们听到隔离，”领导我们公司汽车电源设计团队的Pradeep Shenoy说。“如果隔离出现在新闻中，那就意味着存在问题。”

保持电路隔离是具有交流 (AC) 和直流 (DC) 电源的设备的重要设计元素。对于依赖高压的电路来说尤其如此。如果没有正确实施隔离，可能会发生电磁干扰、电气损坏、短路、火灾或触电。

“如何实现隔离很重要，因为它会影响系统的其他部分，影响电磁干扰、效率和空间，”Pradeep 说。“而那些嘈杂的干扰可能会中断数据传输或中断电机，这是你使用隔离的主要例子。”

应对不断发展的隔离挑战

现在，人们接触到更广泛的高压应用，比如使用400或800伏的电动汽车，使用400伏电池组，隔离正成为一个更常见的挑战。管理这些电池并与车辆其他部分进行通信的系统需要隔离组件，这可以增加车辆的尺寸、重量和成本。随着个人电子产品变得更加复杂和小型化，电磁干扰的风险也在增加——一种开关电流和电压的不良副产品。为了帮助工程师从设计中消除组件并降低解决方案尺寸和成本，我们公司的新型固态继电器将电源和信号传输集成在一个芯片上，具有足够的容量来支持下一代电动汽车、电网基础设施、工业机器人等等。这些芯片的显着集成度仅能占用传统隔离元件所需空间的十分之一。

“如果没有集成，我们需要一个外部变压器来处理隔离，这些部件会增加设计的体积和复杂性，”领导我们公司工业电源设计服务团队的 Robert Taylor 说。“当一切都是独立的时，它会增加可靠性。”

一些传统的隔离设计使用物理继电器，其运动部件使它们在极端高温、低温或振动等不利条件下容易发生故障。具有集成电源和信号隔离功能的固态继电器没有会随着时间推移而磨损的活动部件，因此其预期寿命是继电器的 10 倍。

我们公司也是少数几家将磁隔离集成到固态器件中的制造商之一，也是唯一一家在磁隔离和电容隔离方面持续投资的公司。我们在电容和磁隔离、封装开发和工艺技术方面的进步，可以安全可靠地跨越工业和汽车系统(如电动汽车、电网基础设施、工厂自动化和电机驱动器)的隔离栅提供电力和高速信号。

“高压对于高效和经济地传输电力至关重要，而隔离对于任何有高压的地方的安全都至关重要，”我们公司的企业研发集团 Kilby Labs 的电源管理总监 Jeff Morroni 说。“例如，在电动汽车的电池管理和其他系统中，我们需要通过确保高压不会进入底盘来防止电击。随着隔离需求的发展，我们将继续寻找创新的方法来保证人员及其与之交互的高压系统的安全。”

实践中的隔离

为了更好地理解隔离的重要性，请考虑它在当今一些主要市场中所扮演的角色。

电动汽车：电动汽车有一个高压电池(通常为 400 或 800 伏)来提供动力，还有一个传统的低压电池，用于车内便利和信息娱乐。隔离起到保护器和性能助推器的双重作用。

Pradeep 说：“电动汽车中的隔离有助于在我们关闭汽车时保护驾驶员，但它在使 EV 电池尽可能长的使用寿命方面也发挥着重要作用。”隔离允许系统监督、监控和保护电池单元安全、准确地与中央微控制器通信，后者以不同的电压运行。”

工业自动化：隔离技术的改进可以防止可能损坏设备或伤害人类的高压浪涌。它还可以屏蔽传感器、电机、机器人和其他设备等自动化设备免受信号干扰，使其能够可靠运行。“隔离技术保护电力、通信和控制——这些功能可在整个工厂车间实现智能自动化，并提高效率、生产力和安全性，”罗伯特说。“但最重要的功能是安全和保护最终用户。”

太阳能和智能电网：无论在哪里发电和输电，都需要一些隔离技术。这包括将太阳能转换为电网电力的家用太阳能电池板。

“来自太阳能电池板的高压需要被隔离，然后转换为交流电流，当电压通过电网时需要降压，”罗伯特说。“每次我们将其降压时——从高压到进入你家外变压器的中压——都需要不同的隔离层，以便安全地完成。”

医疗设备：降低成本始终是医疗保健的首要任务。固态隔离器件尺寸和复杂性的减小使设计人员能够在不牺牲安全性或特性的情况下开发更小的电路。现代固态隔离的更高可靠性支持医疗保健中对高正常运行时间和低故障率的要求。

“在 TI，我们一直在为高压系统开发集成电路中的隔离技术已有 20 年了，”Jeff 说。“我们正在继续寻找新的方法来改善隔离，使工程师能够降低复杂性并保持电源系统的安全性。”