电器产品都会用到电源,常见的电源包括调压电源、开关电源、逆变电源、变频电源、不间断电源等。大部分电源都需要有隔离器件,以保证设备和人身安全。因采用的隔离技术不同,隔离效果也不一样。因此,选择隔离产品应该扬长避短,尽可能将系统性能做到最佳。
一、电源为什么需要隔离
这是一个老生常谈的问题,目的是避免电源的高压电对人体产生危害。新能源汽车就是常见的高压电源场景,电池电压是400V或新出现的800V,如此高的电压会对人体产生危害;充电桩亦是如此,它将交流电转换为高压直流电,也需要将高低压隔离开来,这就需要用到隔离器件。
又如,光伏或数据中心的服务器电源、工业变频伺服应用以及一些工业电源模块或储能装置,这些常见的高压电源场景除了要避免高压对人体的危害,还要满足相应的安规要求。
二、隔离的要求和分类
隔离有严格的安规认证,常见的是美国的UL认证、德国VDE认证以及电工协会的IEC认证等。安规认证包括两类,一类是系统级,如IEC60065、IEC60950等;另一类是器件级,如UL1577以及IEC60747标准。IEC标准从安全角度定义了三个等级能量源,都是以电压电流大小作为分级依据,实施相应的保护措施。值得一提的是,纳芯微的所有隔离产品都通过了UL、CUL以及VDE、CQC安规认证。
电源系统中应用非常广泛的是隔离芯片,例如,在车载充电机OBC/DC-DC系统中,高压电池充电输入侧是220V到380V,输出侧为400V或800V;低压电池充电是12V到48V,其中包括PFC和LLC两级拓扑。整个系统拓扑比较复杂,往往会采用两颗MCU做主控,两个MCU之间的通信便需要进行隔离。此外,这些拓扑中的功率管,不管是Si MOSFET还是第三代半导体器件,都需要相应的驱动,也需要进行隔离。
另外,根据系统的控制精度要求,电压采样、电流采样以及系统的对外通信也需要隔离。
三、常见的几种隔离技术及要求
目前,行业采用的隔离技术有三种:传统光耦、磁耦和容耦技术。传统光耦技术应用最广泛、历史最长。它以光为介质将输入信号耦合到输出端,但是体积较大,传输速度较慢,随着使用时间的增长会出现光衰,且工作温度范围较窄。磁耦和容耦是目前比较主流的隔离技术。磁耦耐压高、传输速度快、温度范围宽,但工艺复杂,有EMI辐射;容耦耐压高,传输速度快,传输延迟仅为二三十纳秒,工作温度范围非常宽,工艺并不复杂,具有很高的可靠性。
纳芯微的隔离芯片便是基于容耦技术,采用Adaptive OOK®自适应编码技术,EMI辐射低,误码率低,还能有效提高隔离器件抗共模噪声(CMTI)的能力。
隔离产品的重要指标包括:隔离耐压等级、CMTI能力、EMC性能以及传输延迟和工作温度、隔离寿命等。纳芯微隔离产品的隔离电压等级高达10kV,CMTI至少100kV/μs;抗浪涌超过10kV,双边ESD超过15kV。
四、电源系统的趋势和应用难点
(1)电源系统的趋势
-高集成化:电源系统正往更高集成度的趋势发展,因此也需要更高集成度的IC,例如将电源和数字隔离器集成在一起,以降低工程师设计隔离电源的复杂程度。
-高压化、高频化:光伏系统已从800V转到1500V,第三代半导体(氮化镓或碳化硅)的应用也越来越广泛,系统开关频率越来越高,速度越来越快。隔离产品需要有更高的CMTI能力,能承受更高电压,EMI性能更好。
-高可靠性:隔离芯片均需要通过严格的安规认证。
(2)电源系统的应用难点
电源系统的应用难点在于,第三代功率器件对驱动芯片提出了更高的要求,如CMTI大于100kV/μs水平。由于碳化硅驱动电压更高,要求驱动器输出电压范围摆幅更宽。此外,产品开关速率要更快,并降低开关损耗,驱动器具有输出更大的Source或Sink电流能力,芯片内部上升或下降时间更短,传输延时更小。
碳化硅驱动芯片的新功能是“米勒钳位”,随着SiC的开关,桥臂中点有很大dv/dt,下管Cgd电容会产生一个米勒电流,即使下管处于关断状态,也会通过下管关断电阻产生一个压降。考虑到碳化硅器件的导通阈值比较低(2V左右),如果压降较大会造成下管误导通,系统就会有短路风险。
“米勒钳位”功能可以应对碳化硅应用中的这个问题。在芯片中增加一个MOSFET可以直接将GND和碳化硅栅极相连,当下管关断后,会跳过下管驱动电阻,直接将栅极短路到GND,以此消除米勒电流造成的压差,从而避免米勒效应导致下管误导通的风险。
五、纳芯微的隔离类产品
纳芯微的隔离产品品类非常齐全,包括数字隔离器、隔离驱动、隔离电压/电流采样、隔离CAN收发器。驱动方面,不管是MOS、IGBT还是碳化硅,都有相应的隔离产品。采样方面,既有模拟输出隔离运放,也有数字输出隔离ADC,满足不同应用场景对采样率和采样精度的要求。接口方面,隔离I2C接口、485或CAN接口产品都很丰富,能够为客户的电源设计提供一站式解决方案。
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