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TI全新固态继电器,赋能隔离技术发展
作者:赵法彬   添加时间:2022-05-19
只要存在高电压,只要人们离不开高电压,半导体隔离技术就会越来越重要。

(赵法彬/数字通信世界)隔离技术在电源管理中非常重要。德州仪器(TI)电源开关、接口和照明部门副总裁兼总经理Troy Coleman认为,隔离之所以重要,是因为高压环境很关键;高压环境之所以很关键,是因为我们需要更加经济高效地输电,而高压输电就是最好的方法,所以我们的电网是高压电网。只要存在高电压,只要人们离不开高电压,半导体隔离技术就会越来越重要。

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隔离技术面临新挑战

电源管理的关键设计面临以下挑战:一是低EMI,随着电子器件的数量激增,电磁干扰的挑战越来越大,因此,要尽量减少对其他系统组件的干扰,并简化工程师的设计和质量评估流程;二是功率密度的挑战,提高功率密度可实现更多系统功能,同时降低系统成本,但是如何在更小的面积内实现更大功率,同时控制热性能,是一直存在挑战;三是降低静态功耗IQ,可以延长电池寿命和货架期可实现更多功能,延长使用寿命并降低系统成本;四是低噪声和高精度越来越重要,降低或转移噪声可为精密模拟应用简化功率链、提升可靠性,电动汽车等领域需要既能处理大量功率,还能非常精确地测量功率增益;五是隔离,在高压和安全关键型应用中实现超高的工作电压和可靠性,同时缩小解决方案尺寸并降低成本。

第一,新一代工业系统带来了新的隔离挑战。电网基础设施、机器人和电机控制等高压工业电源需要隔离,用于实现以下目标:针对可能损坏设备或伤害人身安全的高压浪涌提供保护;互连时如涉及较大的接地电位差(GPD),则可省去接地环路;安全地与电机驱动系统中的高侧组件通信;在共模瞬态事件期间保持数据完整性。Troy Coleman表示,隔离式栅极驱动器和隔离式收发器都有隔离,前者能够将太阳能产生的直流电转换成电网交流电,后者能够检测到故障,并跨隔离栅进行通信,还有隔离式偏置电源,这些都是为可再生能源赋能的产品、技术和功能。

第二,新一代汽车系统带来了新的隔离挑战。随着新一代电动汽车从400V电池系统过渡到800V电池系统,需要通过隔离来实现敏感电子元器件与快速瞬变高压组件(例如电机)之间的安全通信。Troy Coleman解释说,电动汽车的一项基本赋能技术就是高压电池,高压电池组能够让牵引逆变器、传动系和其他电子器件运行,并产生启动汽车所需的电能,这就需要确保高压不会接触到机箱、机箱接地,从而防止用户触电并确保环境的安全。在这一过程中,半导体发挥着重要作用。电动汽车中的高压域与低压域相隔离,因此,必须具有能检查安全性和隔离栅状况的功能,这一功能称为隔离检查。在隔离检查功能中,必须使用半导体技术制造隔离产品来定期检查隔离栅的完整性,从而确保隔离栅没有损坏,这样就不会有人触电。而要实现隔离检查,就必须通过某种器件来承载这一功能,它必须具有超高的可靠性,而且能够在宽温度范围内将这一功能集成到单个半导体封装中。这正是TI本次推出的产品之一,隔离检查是这个产品的一项应用,具有出色完整性和质量以及集成功能的隔离栅将为这类应用提供赋能技术。


TI推出全新固态继电器

TI在过去近25年时间里深耕隔离领域的创新,不断增加的产品线以更经济、更好的新方式应对隔离挑战。5月10日,TI推出了新的固态继电器产品系列,包括符合汽车标准的隔离驱动器和开关,这些产品可提供业内出色的可靠性,帮助提高电动汽车(EV)的安全性。这些新的隔离式固态继电器还支持超小尺寸的解决方案,同时降低动力总成和800V电池管理系统的物料清单(BOM)成本。Troy Coleman介绍说,TI本次推出的产品系列有三种不同类别:固态继电器TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1;隔离式比较器AMC23C12;隔离式偏置电源UCC12050和UCC14240-Q1。

TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1是完全集成电源和信号隔离功能的固态继电器,有助于在工业和汽车系统中实现多千伏级隔离。TPSI3050-Q1提供高达5kV增强型隔离,其工作寿命比机电继电器高10倍,因为机电继电器的性能会随着时间的推移而退化;TPSI2140-Q1提供高达3.75kV的基础型隔离,还能帮助电池管理系统更快检测到故障,并在汽车中符合关键安全性标准。Troy Coleman表示,TI专注于为客户寻找新的电源和信号隔离方式,在提供超高可靠性的同时,缩小解决方案尺寸并降低成本。TI在隔离技术领域深耕多年,通过在隔离技术中集成更多功能,能够实现固态继电器解决方案,帮助客户降低复杂性,并保持电动汽车等隔离环境所需的安全性,甚至更轻松地过渡到800V技术。此外,这些新器件不仅将电源和信号传输集成到了单一芯片,还提供额外的功能和灵活性,使设计人员能从设计中至少省去三个元件。与现今市场中的机电继电器和固态光继电器解决方案相比,TI的解决方案尺寸和BOM成本可减少达50%。

在提高系统弹性和采用开关更快的晶体管(如碳化硅和GaN)的要求下,人们对准确快速故障检测的需求也越来越迫切,TI为此推出了全新的增强型隔离式比较器AMC23C12。Troy Coleman介绍说,它是业内超小型的解决方案,可实现隔离式双向过流、过压和过热检测,有助于快速检测各种故障事件,帮助设计人员开发具有更高容错能力的高压系统。该器件还结合了标准比较器功能与稳健的电隔离栅,可缩小整个系统尺寸并降低成本。与分立式方案相比,TI将尺寸缩小了50%以上,这些器件能让TI实现更具成本效益且更加小巧的解决方案尺寸。此外,该器件的响应速度小于400 ns,能高效保护电源转换系统中的碳化硅和GaN晶体管。它还具有可调跳变阈值,在最恶劣的情况下误差精度低于3%。AMC23C12还能够充分满足日益增长的过流、过压和过热保护需求,这些都是客户现在所面临的问题。

随着全世界工业系统对隔离技术的要求越来越高,人们不仅需要提供隔离,还需要提供高功率密度和低EMI,从而提高这些产品的效率并简化合规性,因此,IT推出了隔离式偏置电源UCC12050和UCC14240-Q1。Troy Coleman说,UCC12050是2020年推出的器件,它利用集成变压器技术,让客户能够将其解决方案尺寸缩小80%以上。此外,UCC12050的效率为50%,是同尺寸同类器件的两倍,并且功率密度是同类隔离电源模块的两倍。它采用新型架构,功率约0.5W,并且可靠性更高、BOM更小,并简化了电路板布局布线。UCC14240-Q1是最新推出的器件,旨在推动汽车应用向半分布式和分布式偏置电源架构发展的行业趋势。此外,UCC14240-Q1是业内尺寸超小、精度超高的1.5W隔离式直流/直流偏置电源模块。利用这款器件,系统设计工程师可以将性能、集成和功率密度提高到新水平,它简单、易于使用,可加快上市速度。


Troy Coleman最后表示,无论是电动汽车、个人电子产品还是太阳能等常见的应用系统,TI均能提供业内超高的工作电压和可靠性,并延长系统寿命和扩展保护范围,从而赋能其发展。总之,TI不断以更加出色、更加经济的新方式应对隔离挑战。


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