據Gartner預測，2022年全球將出貨600萬輛電動汽車（包括電池電動車和插電式混合動力車），這一數(shù)字高于2021年的400萬輛。在電動汽車銷量增長的同時，電動汽車的電池系統(tǒng)也正從400V過渡到800V，這需要應用到更高效的隔離器件來實現(xiàn)敏感電子元器件與快速瞬變高壓組件之間的安全通信。

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

TI在隔離領域的創(chuàng)新新能源汽車的電池系統(tǒng)正從400V向800V過渡，這一升級過程對電源管理提出了更多的挑戰(zhàn)。TI電源開關、接口和照明部門副總裁兼總經理Troy Coleman介紹說，TI正在以多種方式支持汽車平臺向800V過渡，通過不斷推出新產品來應對低EMI、功率密度、低靜態(tài)電流、低噪聲和隔離所帶來的挑戰(zhàn)。

為了滿足800V系統(tǒng)的需求，TI正更新其隔離器件產品。比如，解決固態(tài)繼電器的幾個設計挑戰(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)有解決方案基礎上進一步降低靜態(tài)電流，以節(jié)省電池壽命；又如，在集成隔離的DC/DC轉換器上，則通過減少重量、尺寸以及提高800V電動汽車的效率，來提高功率密度。此外，TI也在硅和封裝技術方面不斷創(chuàng)新，以支持日益升高的電壓強化隔離。

隨著市場對安全和更高電壓的提出更高的要求，也增加了對可靠的繼電器解決方案的需求。燃油汽車通常只使用12V電池，該類汽車不需要隔離或高壓電路。而高壓電動汽車的電池電壓通常在400-800V范圍內，電動汽車則需要進行隔離來保護乘客，動力電池汽車上的所有設備提供動力，因此它的動力效率在電動汽車上變得更加關鍵。

 800V母線電動汽車要求隔離器件能在車輛的整個生命周期內都能可靠地隔離高壓?！霸谡＿\行期間，車輛還可能暴露于浪涌和過電壓，這會進一步加重隔離屏障的壓力。為確保穩(wěn)健性和質量，TI的內部高壓測試和認證流程都超出了VDE0884和IEC-60747-17規(guī)定的要求。”Troy補充說，TI專有的電容和電感隔離技術為電力和信號傳輸提供屏障，該電源和信號用于驅動柵極驅動器、開關或其他功能等電路。

當然，TI在隔離領域創(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小封裝中，同時必須保持高電壓的隔離要求和爬電額定值”。Troy介紹說，TI是通過采用可靠的測試方法，以及封裝設計上的創(chuàng)新來解決這個難題。

TI在高壓和安全關鍵型應用中，致力于實現(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。

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隔離，有助于在幾微秒內管理電動汽車動力總成系統(tǒng)中的多千伏級隔離。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，同時降低高壓汽車系統(tǒng)（包括800V電動汽車）的物料清單(BOM)成本。

“如果設計初衷是在電動汽車電池管理系統(tǒng)等隔離高壓環(huán)境中實現(xiàn)更高的可靠性則通常需要增加組件，這樣會導致車輛的尺寸、重量和成本增加。TI全新的固態(tài)繼電器產品系列在單一芯片中集成了電源和信號傳輸，有助于工程師在設計中省去組件，并縮小解決方案尺寸和降低成本?！盩roy表示。

具體來看，TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1具備以下優(yōu)勢——

?利用獨特的方法，全新固態(tài)繼電器系列可在一個芯片上穿過單一隔離柵傳輸功率和信號；

?該產品系列的集成功能可從設計中至少取消三個組件，與競爭解決方案相比，解決方案尺寸至多可減少90%，成本最多可減少50%；

?與長期使用易出故障的機電繼電器解決方案相比，TPSI3050-Q1的工作壽命可增加10倍，提供的增強型隔離高達5kV RMS；

?TPSI2140-Q1有助于更快地檢測高壓電池管理系統(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。

Troy針對TPSI2140-Q1做了較為詳細的介紹。他表示，TPSI2140-Q1主要用于在電池管理和能源管理應用中可靠地連接和斷開測量通道，例如隔離檢查、電池組電壓監(jiān)測、直流環(huán)節(jié)電壓監(jiān)測、接觸器監(jiān)測和端口電壓監(jiān)測。“TI的固態(tài)繼電器產品組合，還集成了隔離電源、數(shù)字隔離器和柵極驅動器的功能，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，能夠進一步節(jié)省成本和空間。”

另外，Troy也解釋了TI的固態(tài)繼電器和隔離柵極驅動的區(qū)別。固態(tài)繼電器是為低頻開關而設計的。雖然SSR可以在千赫茲范圍內切換，但它們并非針對高頻路徑進行優(yōu)化設計，比如牽引逆變器中的半橋功率級IGBT，隔離式柵極驅動器更適合這些應用。而固態(tài)繼電器更適合開關頻率較低的斷開/連接負載開關應用。

其他新品：增強型隔離式比較器和集成變壓器大功率工業(yè)和汽車應用對提升系統(tǒng)彈性的需求也正在增加，設計人員需要開發(fā)可更有效容錯的高壓系統(tǒng)。TI全新增強型隔離式比較器AMC23C12，為業(yè)界提供了超小的解決方案，可實現(xiàn)隔離式雙向過流、過壓和過熱檢測。AMC23C12結合了標準比較器和穩(wěn)健的電隔離屏障，可縮小解決方案尺寸和降低成本。

 AMC23C12的亮點有：通過集成一個寬輸入范圍低壓降穩(wěn)壓器、一個窗口比較器和一個精密電壓基準，將解決方案尺寸縮小50%；在最惡劣情況下跳變閾值精度低于3%，有助于工程師減少設計裕度，支持更小尺寸的無源器件；小于400ns的響應時間，提供超快過流和過壓檢測，從而更好地保護系統(tǒng)；通過單個外部電阻器實現(xiàn)可調跳變閾值，可促進不同設計重復使用。

隨著系統(tǒng)尺寸變得越來越小，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計挑戰(zhàn)。于是，TI在2020年推出了集成變壓器UCC12050，這是首款使用TI集成變壓器技術開發(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，實現(xiàn)了高密度隔離式直流/直流電源轉換，且能保持低EMI和高可靠性。據了解，該器件適用于工業(yè)運輸電網基礎設施和醫(yī)療設備。

 到2021年，TI的集成變壓器有了新進展——適用于電動汽車、混合動力電動汽車、電機驅動系統(tǒng)和并網逆變器的UCC14240-Q1發(fā)布，這是一款具備業(yè)內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類SPI可編程柵極驅動器和偏置電源參考設計，是適用牽引逆變器和車載充電器中電源開關的隔離式偏置電源和隔離式柵極驅動器。

UCC14240-Q1的特性有：為牽引逆變器中大功率碳化硅開關提供隔離式偏置和隔離式驅動提供經過測試的設計；簡化駕駛員高級保護的功能安全認證；支持在800V動力總成中使用高隔離3kV RMS；單個IC上的+15V/-5V完全隔離轉換。

小結

伴隨市場對電池系統(tǒng)應用要求的進一步提升，TI在汽車隔離方面不斷增加的產品線以更經濟、更好的新方式應對隔離挑戰(zhàn)。截至目前，TI已經在隔離領域推出了數(shù)字隔離器、隔離式ADC、隔離式放大器、隔離式接口IC、隔離式柵極驅動器、適用于信號隔離器的電源、隔離式比較器、固態(tài)繼電器等八類產品。這些產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，可延長壽命并提供更大范圍的保護，助力用戶簡化設計并減少系統(tǒng)尺寸。

據透露，TI.com/SSR上已發(fā)售預量產的TPSI3050-Q1和TPSI2140-Q1，可使用TPSI3050Q1EVM和TPSI2140Q1EVM評估模塊測試性能。此外，預量產的AMC23C12也在TI.com/SSR上發(fā)售，工程師可通過AMC23C12EVM評估模塊測試性能。

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