據(jù) Gartner預(yù)測(cè)，2022年全球?qū)⒊鲐?00萬(wàn)輛電動(dòng)汽車(chē)（包括電池電動(dòng)車(chē)和插電式混合動(dòng)力車(chē)），這一數(shù)字高于2021年的400萬(wàn)輛。在電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量增長(zhǎng)的同時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)的電池系統(tǒng)也正從400V過(guò)渡到800V，這需要應(yīng)用到更高效的隔離器件來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信。mTzesmc

這對(duì)電源管理器件供應(yīng)商而言，系統(tǒng)的升級(jí)也要求隔離器件的更新迭代。過(guò)去25年里，德州儀器（TI）一直在深耕隔離領(lǐng)域的創(chuàng)新，到2022年5月上旬發(fā)布了一系列新隔離產(chǎn)品。這些新產(chǎn)品有助于提高電動(dòng)汽車(chē)的安全性，可將解決方案尺寸減少90%、成本降低50%mTzesmc

TI在隔離領(lǐng)域的創(chuàng)新

新能源汽車(chē)的電池系統(tǒng)正從400V向800V過(guò)渡，這一升級(jí)過(guò)程對(duì)電源管理提出了更多的挑戰(zhàn)。TI電源開(kāi)關(guān)、接口和照明部門(mén)副總裁兼總經(jīng)理Troy Coleman介紹說(shuō)，TI正在以多種方式支持汽車(chē)平臺(tái)向800V過(guò)渡，通過(guò)不斷推出新產(chǎn)品來(lái)應(yīng)對(duì)低EMI、功率密度、低靜態(tài)電流、低噪聲和隔離所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。mTzesmc

為了滿(mǎn)足800V系統(tǒng)的需求，TI正更新其隔離器件產(chǎn)品。比如，解決固態(tài)繼電器的幾個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，將隔離集成到更小體積的封裝，從而擁有更高功率密度，并在現(xiàn)有解決方案基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低靜態(tài)電流，以節(jié)省電池壽命；又如，在集成隔離的DC/DC轉(zhuǎn)換器上，則通過(guò)減少重量、尺寸以及提高800V電動(dòng)汽車(chē)的效率，來(lái)提高功率密度。此外，TI也在硅和封裝技術(shù)方面不斷創(chuàng)新，以支持日益升高的電壓強(qiáng)化隔離。mTzesmc

隨著市場(chǎng)對(duì)安全和更高電壓的提出更高的要求，也增加了對(duì)可靠的繼電器解決方案的需求。燃油汽車(chē)通常只使用12V電池，該類(lèi)汽車(chē)不需要隔離或高壓電路。而高壓電動(dòng)汽車(chē)的電池電壓通常在400-800V范圍內(nèi)，電動(dòng)汽車(chē)則需要進(jìn)行隔離來(lái)保護(hù)乘客，動(dòng)力電池汽車(chē)上的所有設(shè)備提供動(dòng)力，因此它的動(dòng)力效率在電動(dòng)汽車(chē)上變得更加關(guān)鍵。mTzesmc

800V母線(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)要求隔離器件能在車(chē)輛的整個(gè)生命周期內(nèi)都能可靠地隔離高壓。“在正常運(yùn)行期間，車(chē)輛還可能暴露于浪涌和過(guò)電壓，這會(huì)進(jìn)一步加重隔離屏障的壓力。為確保穩(wěn)健性和質(zhì)量，TI的內(nèi)部高壓測(cè)試和認(rèn)證流程都超出了VDE0884和IEC-60747-17規(guī)定的要求。”Troy補(bǔ)充說(shuō)，TI專(zhuān)有的電容和電感隔離技術(shù)為電力和信號(hào)傳輸提供屏障，該電源和信號(hào)用于驅(qū)動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)或其他功能等電路。mTzesmc

當(dāng)然，TI在隔離領(lǐng)域創(chuàng)新所遇到的最大的挑戰(zhàn)是——“如何將如此多的功能集成到一個(gè)小封裝中，同時(shí)必須保持高電壓的隔離要求和爬電額定值”。Troy介紹說(shuō)，TI是通過(guò)采用可靠的測(cè)試方法，以及封裝設(shè)計(jì)上的創(chuàng)新來(lái)解決這個(gè)難題。mTzesmc

mTzesmc

TI在高壓和安全關(guān)鍵型應(yīng)用中，致力于實(shí)現(xiàn)超高的工作電壓和可靠性、縮小解決方案尺寸并降低成本。從2006年發(fā)布ISO721D 業(yè)內(nèi)首款SiO2電容隔離器，到現(xiàn)在發(fā)布最新的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1固態(tài)繼電器。mTzesmc

全新固態(tài)繼電器：TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1

TI的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1完全集成電源和信號(hào)隔離，有助于在幾微秒內(nèi)管理電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力總成系統(tǒng)中的多千伏級(jí)隔離。這些新器件可提供業(yè)界出色的可靠性和更小的解決方案尺寸，同時(shí)降低高壓汽車(chē)系統(tǒng)（包括800V電動(dòng)汽車(chē)）的物料清單 (BOM) 成本。mTzesmc

“如果設(shè)計(jì)初衷是在電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)等隔離高壓環(huán)境中實(shí)現(xiàn)更高的可靠性則通常需要增加組件，這樣會(huì)導(dǎo)致車(chē)輛的尺寸、重量和成本增加。TI全新的固態(tài)繼電器產(chǎn)品系列在單一芯片中集成了電源和信號(hào)傳輸，有助于工程師在設(shè)計(jì)中省去組件，并縮小解決方案尺寸和降低成本。”Troy表示。mTzesmc

具體來(lái)看，TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1具備以下優(yōu)勢(shì)——mTzesmc

• 利用獨(dú)特的方法，全新固態(tài)繼電器系列可在一個(gè)芯片上穿過(guò)單一隔離柵傳輸功率和信號(hào)；mTzesmc

• 該產(chǎn)品系列的集成功能可從設(shè)計(jì)中至少取消三個(gè)組件，與競(jìng)爭(zhēng)解決方案相比，解決方案尺寸至多可減少90%，成本最多可減少50%；mTzesmc

• 與長(zhǎng)期使用易出故障的機(jī)電繼電器解決方案相比，TPSI3050-Q1的工作壽命可增加10倍，提供的增強(qiáng)型隔離高達(dá)5kV RMS；mTzesmc

• TPSI2140-Q1有助于更快地檢測(cè)高壓電池管理系統(tǒng)的故障并提升安全性，與光繼電器相比具有更高的可靠性。mTzesmc

Troy針對(duì)TPSI2140-Q1做了較為詳細(xì)的介紹。他表示，TPSI2140-Q1主要用于在電池管理和能源管理應(yīng)用中可靠地連接和斷開(kāi)測(cè)量通道，例如隔離檢查、電池組電壓監(jiān)測(cè)、直流環(huán)節(jié)電壓監(jiān)測(cè)、接觸器監(jiān)測(cè)和端口電壓監(jiān)測(cè)。“TI的固態(tài)繼電器產(chǎn)品組合，還集成了隔離電源、數(shù)字隔離器和柵極驅(qū)動(dòng)器的功能，可以節(jié)省成本、組件數(shù)量和電路板空間。TPSI2140-Q1更集成了高壓MOSFET，能夠進(jìn)一步節(jié)省成本和空間。”mTzesmc

另外，Troy也解釋了TI的固態(tài)繼電器和隔離柵極驅(qū)動(dòng)的區(qū)別。固態(tài)繼電器是為低頻開(kāi)關(guān)而設(shè)計(jì)的。雖然SSR可以在千赫茲范圍內(nèi)切換，但它們并非針對(duì)高頻路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，比如牽引逆變器中的半橋功率級(jí)IGBT，隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器更適合這些應(yīng)用。而固態(tài)繼電器更適合開(kāi)關(guān)頻率較低的斷開(kāi)/連接負(fù)載開(kāi)關(guān)應(yīng)用。mTzesmc

其他新品：增強(qiáng)型隔離式比較器和集成變壓器

大功率工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用對(duì)提升系統(tǒng)彈性的需求也正在增加，設(shè)計(jì)人員需要開(kāi)發(fā)可更有效容錯(cuò)的高壓系統(tǒng)。TI全新增強(qiáng)型隔離式比較器AMC23C12，為業(yè)界提供了超小的解決方案，可實(shí)現(xiàn)隔離式雙向過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱檢測(cè)。AMC23C12結(jié)合了標(biāo)準(zhǔn)比較器和穩(wěn)健的電隔離屏障，可縮小解決方案尺寸和降低成本。mTzesmc

AMC23C12的亮點(diǎn)有：通過(guò)集成一個(gè)寬輸入范圍低壓降穩(wěn)壓器、一個(gè)窗口比較器和一個(gè)精密電壓基準(zhǔn)，將解決方案尺寸縮小50%；在最?lèi)毫忧闆r下跳變閾值精度低于3%，有助于工程師減少設(shè)計(jì)裕度，支持更小尺寸的無(wú)源器件；小于400ns的響應(yīng)時(shí)間，提供超快過(guò)流和過(guò)壓檢測(cè)，從而更好地保護(hù)系統(tǒng)；通過(guò)單個(gè)外部電阻器實(shí)現(xiàn)可調(diào)跳變閾值，可促進(jìn)不同設(shè)計(jì)重復(fù)使用。mTzesmc

隨著系統(tǒng)尺寸變得越來(lái)越小，其中的組件也必須縮減尺寸和間距，這也造成了更多隔離設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。于是，TI在2020年推出了集成變壓器UCC12050，這是首款使用TI集成變壓器技術(shù)開(kāi)發(fā)的器件，縮小了隔離式電源傳輸使其可納入IC尺寸的封裝中，實(shí)現(xiàn)了高密度隔離式直流/直流電源轉(zhuǎn)換，且能保持低EMI和高可靠性。據(jù)了解，該器件適用于工業(yè)運(yùn)輸電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和醫(yī)療設(shè)備。mTzesmc

mTzesmc

到2021年，TI的集成變壓器有了新進(jìn)展——適用于電動(dòng)汽車(chē)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和并網(wǎng)逆變器的UCC14240-Q1發(fā)布，這是一款具備業(yè)內(nèi)尺寸超小且精度超高的1.5W隔離式直流/直流偏置電源模塊。UCC14240-Q1帶有集成變壓器的汽車(chē)類(lèi)SPI可編程?hào)艠O驅(qū)動(dòng)器和偏置電源參考設(shè)計(jì)，是適用牽引逆變器和車(chē)載充電器中電源開(kāi)關(guān)的隔離式偏置電源和隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器。mTzesmc

UCC14240-Q1的特性有：為牽引逆變器中大功率碳化硅開(kāi)關(guān)提供隔離式偏置和隔離式驅(qū)動(dòng)提供經(jīng)過(guò)測(cè)試的設(shè)計(jì)；簡(jiǎn)化駕駛員高級(jí)保護(hù)的功能安全認(rèn)證；支持在800V動(dòng)力總成中使用高隔離3kV RMS；單個(gè)IC上的+15V/-5V完全隔離轉(zhuǎn)換。mTzesmc

小結(jié)

mTzesmc

伴隨市場(chǎng)對(duì)電池系統(tǒng)應(yīng)用要求的進(jìn)一步提升，TI在汽車(chē)隔離方面不斷增加的產(chǎn)品線(xiàn)以更經(jīng)濟(jì)、更好的新方式應(yīng)對(duì)隔離挑戰(zhàn)。截至目前，TI已經(jīng)在隔離領(lǐng)域推出了數(shù)字隔離器、隔離式ADC、隔離式放大器、隔離式接口IC、隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器、適用于信號(hào)隔離器的電源、隔離式比較器、固態(tài)繼電器等八類(lèi)產(chǎn)品。這些產(chǎn)品的工作可使用在耐受極端溫度和系統(tǒng)噪聲的環(huán)境，適用于超高的工作電壓，可延長(zhǎng)壽命并提供更大范圍的保護(hù)，助力用戶(hù)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并減少系統(tǒng)尺寸。mTzesmc

據(jù)透露，TI.com/SSR上已發(fā)售預(yù)量產(chǎn)的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1，可使用TPSI3050Q1EVM和TPSI2140Q1EVM評(píng)估模塊測(cè)試性能。此外，預(yù)量產(chǎn)的AMC23C12也在TI.com/SSR上發(fā)售，工程師可通過(guò)AMC23C12EVM評(píng)估模塊測(cè)試性能。mTzesmc