隔离技术的最新进展使新的解决方案成为可能，降低了系统成本，并允许客户提高其设备的性能。本文讨论了在隔离技术中驱动前沿创新并从这些创新中获益的关键终端应用程序。
Anant Kamath，系统工程师，Texas Instruments, Inc
隔离是一种防止直流和控制交流电流之间的两个部分的系统，同时允许信号和电力之间的转移。用于隔离的电子设备和集成电路称为隔离器。由于各种原因，现代电力系统需要隔离。一些例子包括在高压系统中保护人工操作人员和防止损坏昂贵的处理器，断开通信网络中的接地回路，以及在电机驱动或电源转换器系统中与高端设备通信(图1)。需要隔离的应用示例包括工业自动化系统、电机驱动、医疗设备、太阳能逆变器、电源和电动汽车(ev)。
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加强隔离
加强隔离器是能提供相当于串联两个基本隔离器的绝缘的装置。就其本身而言，加固隔离器被认为足以确保在高压下的电气安全。然而，加强隔离器必须满足日益严格的性能要求。电机驱动应用具有最严格的加强隔离的规范，因为这些系统使用非常高的输入电源电压，它们涉及的接口可用于人类操作员。电机控制中的隔离要求是在安全标准中定义的。例如，可调速驱动器的IEC 61800-5-1电气、热能和能源安全标准。根据本标准，对加强隔离的要求随着系统电压(定义为输入供电线路和地之间的均方根(rms)电压的增加而增大。
为了保证系统电压大于600 VAC的驱动器的增强绝缘，隔离器必须承受至少4400 VRM的5秒临时过电压。该隔离器还必须具有至少12 kVPK，爬电和至少14mm的浪涌电压能力，并且工作电压在600 VRMS至1000 VRM的范围内，这取决于供电线电压和驱动架构。为了使事项更具挑战性，新的电机驱动架构正在向参考DC总线引用的电源板（图2，控制器2）添加本地可编程门阵列（FPGA）和控制器。这降低了电源板上的局部隔离要求。但是，它会增加一个，多通道集成，高速增强链路的数据速率和带宽要求（图2，数字隔离链路）。直到最近，市场上不提供符合这些隔离要求的隔离器，以及时序和数据率要求。唯一的替代方案是光纤隔离。
现在可以使用电容增强隔离解决方案，满足上述高隔离、宽封装和高数据速率的要求。这些解决方案非常适合于系统电压超过600 VAC的电机驱动应用。一些光耦合器确实满足高隔离要求，但不满足数据速率或多通道集成要求。此外，领先的磁隔离解决方案不能满足工作电压/长期可靠性的要求。
爬行和清除的例子如图3所示。
高工作电压
太阳能和风能应用通常使用额外的隔离屏障(例如，在网络通信通道的路径上)来实现加强隔离。因此，与加强隔离相关的要求不像在电机驱动应用中那么高。然而，对高工作电压的要求可以超过电机驱动器中看到的值。电厂集中式太阳能逆变器和风能逆变器趋向于使用更高的直流母线电压，延伸到1500伏及以上。更高的直流母线电压可以在不增加电流水平的情况下获得更高的额定功率，从而使铜的成本保持不变。这有助于降低发电的单位成本。更高电压的另一个好处是效率的提高，因为总输出功率可以随着更高的电压而增加，但当电流不变时，导通损耗也保持不变。
更高的直流总线电压直接转换为逆变器中的开关功率晶体管中使用的隔离器的更高工作电压。在图4中，隔离的栅极驱动器（或与离散栅极驱动器配对的任何数字隔离器）连续地看到梯形电压。这些电压出现在连接到逆变器输出的一侧之间，另一侧连接到地球参考。该电压波形的峰值峰值是直流链路电压。对于任何隔离器，它的寿命呈指数级增强，在屏障上增加了电压应力。太阳能和风逆变器系统目标寿命超过25年。选择一个隔离器至关重要，该隔离器满足具有自由裕度的工作电压要求，使得整个系统的寿命不受隔离器的限制。
新型电容隔离器可实现1500 VRMS (2121 VPK)的工作电压。与一般可用的设备相比，该电压提高了50%，这使得更高的电压和更高效的逆变器系统以更低的成本。光耦具有良好的隔离和工作电压性能;然而，他们使用的led从电气性能的角度限制了他们的寿命。如前所述，领先的以聚酰亚胺为基础的磁隔离技术具有较低的工作电压等级和较低的长期绝缘可靠性，这限制了它们在高压太阳能逆变器应用中的应用。
高共模瞬态抗扰度
共模瞬态抗扰度(CMTI)是一种隔离器在其两个接地之间容忍高转速电压瞬态而不破坏通过它的信号的能力。在电动汽车电机驱动以及太阳能和风能逆变器的应用中，通过栅极控制到功率晶体管的隔离栅极驱动器或隔离器会出现大的地瞬变，因为一个地连接到快速开关逆变器输出。图5显示了这些栅极驱动器所经历的地电位差。在这些系统中，CMTI是一个关键参数，因为瞬变引起的任何误码都可能导致危险的短路事件。
最近的应用要求正在推动具有更高更高的CMTI的隔离器。如上所述，一个要求正在增加直流总线电压。第二秒是在功率晶体管中更快地切换转换时间，从而提高逆变器效率。第三，开关频率增加，导致较低成本和较低的磁铁，例如电感器，变压器和电机。可靠的碳化硅或基于SiC的功率晶体管，可以更快地切换和容忍更高的电压与传统IGBTS，是在转换器更快更有效的逆变器的趋势上构建。
2014年发布的电容隔离器打破了100 kV /ΔSCMTI的屏障。电容隔离器和栅极驱动器继续引导业界最高的最低保证CMTI，从而实现更快，更高效，更低的逆变器设计。
高空作业
在高海拔、污染或高湿度环境中使用的设备需要先进的封装技术。改进和更宽的封装防止沿封装表面退化和通过针之间的空气弧，这确保隔离质量。用于太阳能、风能和电子计量应用的隔离器属于这一类。
在重污染中连续操作的隔离电压可能导致封装表面降解并在隔离器上产生导电路径。这种现象称为跟踪。选择具有较高比较跟踪指数（CTI）的更高质量的包装模具化合物，其具有较高的比较跟踪指数（CTI）可以最小化对给定封装爬电和工作电压的这种效果。另一种方法是选择更广泛的包装，增加爬电成像以降低跟踪的风险。
表1根据IEC 60664-1的要求，根据工作电压、污染程度、绝缘子包模复合材料的材质组别对漏电距离的要求。爬电要求随着工作电压和污染程度的增加而增加，但选择较低的材料组和较高的CTI可以降低爬电要求。
在海拔2000升至5000米的较高海拔，气压较低。因此，峰值过电压，例如浪涌或临时过电压，可以更容易地导致隔离器引脚之间的拱形。高海拔地区操作的设备需要在引脚之间更大的间隔（更多间隙）。表2显示了在较高海拔地区必须增加间隙的乘法因素，以防止每IEC 60664-1的电弧。
传统上，在印刷电路板(PCB)上沉积绝缘聚合物或其他材料的保形涂层或灌封技术被用来降低隔离器周围的污染程度。这减少了对漏电和间隙的要求。然而，这些方法增加了成本，不太可靠，需要额外的检查步骤在PCB制造。采用高质量成型化合物制造的宽体隔离器消除了保形涂层或灌封的需要，简化了PCB设计，并提高了制造可靠性。
新的隔离器使用最好的质量模具化合物(CTI材料组I)，并可在宽封装(14.5毫米漏电/间隙)。这些隔离器可以实现高空设计和容忍更高的污染，而不需要额外的步骤在PCB制造。
电容数字光电隔离器
电容式数字隔离器的最新进展使其处于技术的前沿。这些新的隔离器提供更高的隔离性能、长期可靠性、增加的通道集成度、更高的数据速率和精密定时性能、更好质量的封装模具复合材料、更宽的封装(14.5 mm漏电/间隙)和超过100 kV/?s的CMTI。结合这些特性可以实现新的应用，降低系统成本，并允许终端设备制造商推动其解决方案的性能极限。
德州仪器提供ISO78xx系列强化数字隔离器和ISO585x和ISO545x系列强化隔离IGBT门驱动器。这些隔离器提供的特性和功能可以解决困难的隔离问题。工作电压可达1500伏特，额定使用年限40年，浪涌电压12.8千伏，可承受5700伏特的临时过电压。他们提供高达100 Mbps的高数据速率，低歪斜和部分到部分的变化，CMTI超过100 kV/us。他们也使用材料组I模化合物，并可在行业领先的广泛封装。
参考文献
1.IEC 61800-5-1 Ed. 2.0，可调速电力驱动系统，安全要求，电气，热能和能源。2007年7月
2. anant S Kamath和Kannan Soundarapandian，“高压强化隔离：定义和测试方法”，Texas Instruments白皮书，2014年11月（Slyy063）
3.Anant S Kamath，“交流电机驱动器中的隔离:理解IEC 61800-5-1安全标准”，德州仪器白皮书，2015年11月(SLYY080)
4.IEC 60664-1 Ed. 2.0，低压系统中设备的绝缘协调、原理、要求和试验，2007年4月
德州仪器公司
www.ti.com
了下:电力电子的技巧
