电源为什么需要隔离？常见的几种隔离技术及要求

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。

01 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。

另外，对于一些不共地的系统，如半桥拓扑的上管驱动也需要隔离；此外，虽然一些系统本身并不需要隔离，但为了提升性能，需要将高压侧的高噪声来源与低压侧隔离开，以减少控制器端的干扰。

02 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。

03 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。

04 电源系统的趋势和应用难点

01 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。

02 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。

 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。

纳芯微的产品采用容耦技术，顺应了当前集成化、高压化、可靠性的电源应用趋势，满足第三代功率器件对驱动芯片提出的更高要求。其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，能够为工程师提供多样化的选择。

编辑：黄飞