荣湃超宽体数字隔离器

发布时间：2025-03-19 13:32
作者：AMEYA360
来源：荣湃
阅读量：1199

　　电力系统是一个需要实时维持在供需平衡状态的能量系统，在传统电力系统中，通过按照需求侧负荷的变化进行各上网发电机组的有功和无功调整，而储能，可以把传统电网功率实时平衡转向电量平衡，使整个电网更可控、更稳定。随着大量新能源接入导致快速调频、调峰需求增大，从储能技术储备的角度可以预见，单机大容量、高效率的储能系统是未来重要的发展方向。

　　目前，高压储能电池总电压已经趋向于1500V，这对隔离器件的性能提出了新的要求。对于更高母线电压系统的选型来说，隔离器件最主要的参数是芯片的可重复工作耐压(VIORM)和芯片塑封体的爬电距离。可重复工作耐压越高意味着隔离芯片可以应用到更高的母线电压系统;塑封体两侧金属引脚之间的爬电距离越大，隔离芯片上板后就可以避免刷绝缘漆等增加外部爬电距离的措施。

　　国家标准GB4943.1-2022《音视频、信息技术和通信技术设备第1部分:安全要求》中，第5.4章节对加强绝缘设备高低压之间的绝缘材料提出了爬电距离和抗电强度的要求，汇总信息如下表所示：

荣湃超宽体数字隔离器

　　可以看到，若要配合1500V直流母线电压使用，内部电路配套的数字隔离器爬电距离和电气间隙必须达到15mm才能满足国标要求。

　　在这一需求下，荣湃推出了Pai1XXE7X-WWR系列超宽体数字隔离器，耐压性能、爬电距离均可满足要求。

荣湃超宽体数字隔离器

　　荣湃超宽体数字隔离器系列产品标称耐压达5700Vrms，可重复工作耐压峰值可达2828Vpeak，满足GB4943.1-2022标准中最严苛的隔离器件抗电性能要求，和1500V高压储能系统的寿命要求。超宽体隔离器封装设计保证了15mm的外部爬电距离和电气间隙，满足1500V高压储能系统应用在高原上的安规要求。

荣湃超宽体数字隔离器

　　Pai1XXE7X-WWR系列

　　荣湃超宽体数字隔离器系列产品提供2、3或4通道配置、速率高达200Mbps，能够灵活适应SPI、CAN等通信协议的隔离传输。1500V高压储能系统的各个电池簇之间为串联关系，使用菊花链技术在相邻两个电池簇之间进行通信;顶部的电池簇在与主控单元进行数据通信时，由于两者零电位存在几百上千伏的电势差，必须增加一颗数字隔离器保证信号通过。荣湃超宽体数字隔离器Pai141E71-WWR具有高耐压、低延时的特点，可支持10MHz时钟的SPI通信，同时能够适应电池组总压提高带来的挑战。

荣湃超宽体数字隔离器

　　荣湃半导体成立于2017年，专注于隔离领域芯片的设计与研发，目前，公司已成功研发并生产出数字隔离器、隔离驱动、接口、采样与基准等产品系列，广泛应用于电动汽车、光伏储能、工业控制、通讯等领域。

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　　光MOS,也称光继电电路(PhotoMOS),是一种采用MOS管作为输出元件的光电耦合型半导体继电器。其由LED光源与光电二极管阵列组合构成，通过光电转换将光信号转换为MOS管栅极驱动信号，实现输出端无触点开关控制，主要应用于通信设备、测量仪器、医疗设备及工业机械的负载控制领域。　　相比于机械继电器，光MOS产品具有无机械磨损、长寿命、高速开关等特性，支持高频动作与小型化设计。但光MOS本质上属于光电耦合器件，具有以下显著缺点：　　温度敏感性强，工业和汽车高温环境(如85℃以上)易出现电流传输比(CTR)下降，导致信号丢失;　　寿命有限，LED存在光衰问题，长期使用(5年以上)可靠性下降。　　正是由于耐高温和光衰老化问题，光耦器件很少被用于汽车应用中。直到新能源汽车BMS发展，光MOS产品在当时才不得不应用在高压绝缘检测电路中。虽然作为车规产品应用其高温特性和寿命问题持续有所改善，但其固有的本质属性问题无法从根本上得到解决。　　为了从根本上解决以上问题，荣湃半导体陆续推出了基于磁隔和容隔技术的高压隔离开关产品。虽然荣湃半导体推出的高压隔离开关产品与光MOS在原理上完全不同，但为了应用延续性和市场可接受度，仍称为“光MOS”产品。表 1 荣湃半导体光 MOS 产品系列　　Pai8558EQ　　Pai8558EQ是荣湃半导体推出的第一款光MOS产品，其采用平面变压器隔离高压干扰，原副边线圈间填充聚酰亚胺(临界击穿场强0.3MV/cm)。通过AEC-Q100车规认证和VDE0884-17加强绝缘认证，已在客户端大批量出货。　　Pai8559EQ　　Pai8559EQ是在Pai8558EQ的基础上，将副边侧耐压能力从1500V提升到1700V，满足系统高压不断增大的应用场景。　　Pai8558Q　　为了改善电磁干扰(EMI)性能，特别是满足日趋严格的辐射干扰(RE)标准测试，荣湃半导体推出了基于电容隔离技术的光MOS产品Pai8558Q，其原副边耐压仍可达5000Vrms，通过VDE0884-17基本绝缘认证。详细的EMC测试结果可通过相关渠道向荣湃半导体销售工程师咨询。　　图1是典型的以车身地作为参考地的绝缘检测方案，其中Risop是等效的高压电池正端到车身地的绝缘阻抗，Rison是等效的高压电池负端到车身地的绝缘阻抗。S1和S2是高压隔离开关，分别串在正端和负端电阻分压网络上，可以选用荣湃半导体推出的光MOS产品。电阻R1~R4是电阻分压网络，得到合适的电压给到ADC进行采集。通过S1和S2间隔开关切换，可以通过ADC读到不同的电压，联立方程组，即可计算得到绝缘等效阻抗Risop和Rison。图 1 以车身地作为参考地的绝缘检测原理图　　国际标准《ISO 6469-3:2021 Electrically propelled road vehicles — Safety specifications Part 3: Electrical safety》以及国家标准《GB/T 18384.3-2015 电动汽车 安全要求 第3部分：人员触电防护》规定的耐压测试要求如下：　　将控制器所有高压连接器Pin脚连接在一起，将所有低压连接器Pin脚连接在一起，在高压和低压Pin脚之间施加频率为50Hz~60Hz的(2U+1000)V(rms)的交流测试电压，或者等效的直流测试电压，持续时间1min，如图2为标准的控制器耐压测试示意图。　　图 2 标准的控制器耐压测试示意图　　譬如对于500V高压电池系统，施加的交流测试电压即为2000Vrms，或者直流电压2828V;同样地，对于800V高压电池系统，施加的交流测试电压即为2600Vrms，或者直流电压3676V。为了满足耐压测试，系统应用中常需要在高压与低压地之间串入干簧继电器，用以保护光MOS器件，如图3中的干簧继电器S3。图3 采用干簧继电器作为保护的绝缘检测示意图　　此外，在高压储能应用中，电池电压越来越高，1200V和1500V高压电池系统越来越普遍，原先1500V及1700V的光MOS产品已不再适用。　　在以上两个背景下，荣湃半导体果断推出了副边耐压3300V的光MOS产品Pai855AEQ。这款3300V光MOS产品给方案设计带来极大的系统优势：　　新能源汽车500V或800V应用：因为该产品可承受耐压测试，不再需要干簧继电器，系统成本更低、可靠性更高。可参照表2使用荣湃半导体光MOS产品进行硬件配置。　　1200V以上的高压储能应用：使用Pai855AEQ作为绝缘检测开关管，对应图3中的S1和S2。　　当然，光MOS产品还广泛应用于电池管理系统高压采样电路中，以降低整车漏电流。基于对新能源汽车高压采样和绝缘检测应用的理解，荣湃半导体还将继续完善“光MOS”产品矩阵，即将推出新家庭成员，敬请期待。
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　　什么是理想二极管控制器?　　理想二极管控制器可驱动外部 N 沟道 MOSFET 来仿真具有超低正向压降和可忽略不计反向电流的理想二极管。理想二极管控制器可根据栅极控制机制分为两类：线性调节控制和迟滞开/关控制。　　线性调节控制会根据负载电流来控制栅极电压，有助于快速反向电流阻断;　　在迟滞开/关控制中，当超过正向导通比较器阈值时，MOSFET完全导通。　　图1中的典型应用原理图显示了用于驱动外部 N 沟道 MOSFET 的理想二极管控制器Pai8150C。MOSFET的源极与输入端相连，电荷泵电容器连接在阳极和 VCAP 之间，可提供足够的栅极驱动电压来导通 MOSFET，EN引脚控制芯片开关。图1. 理想二极管控制器 - 典型应用原理图　　理想二极管应用介绍　　理想二极管控制器典型应用有三种：背靠背FET架构，电池反向保护以及电源路径管理及冗余(ORing)。　　1 背靠背FET架构　　理想二极管控制器可驱动和控制外部背对背 N 沟道 MOSFET，从而仿真具有电源路径开/关控制、浪涌电流限制的理想二极管整流器。电动汽车12V辅助电池由DC/DC变换器的12V输出电压供电。图2为荣湃半导体理想二极管控制器Pai8151B的应用案例。为实现DC/DC输出的12V与12V电池之间的受控连接与断开，需采用基于理想二极管控制器的背靠背MOSFET方案。当使能信号EN为低电平时：MOSFET Q1和Q2导通，DC/DC变换器输出的12V为12V辅助电池充电。当12V辅助电池充满电后： 使能号 EN 置为高电平，MOSFET Q1 和 Q2 关断，从而切断DC/DC变换器12V输出与12V辅助电池之间的电气通路。图2. 负载切换与浪涌电流控制应用图　　在电动汽车启动阶段，为了减缓高压电池连接设备输入电容的电流冲击，系统利用12V低压蓄电池实现对此输入电容的预充电。因此要求能量能从12V电池向高压测传输，理想二极管控制器需避免进入反向截止模式。如图3所示，此时需将控制器的Cathode引脚悬空设计以支持能量双向传输。图3. 能量双向传输应用图　　在电路启动初期，电容C1的初始电压较低，导致背靠背MOSFET导通瞬间可能引发过大浪涌电流。为抑制此现象，需采用软启动(soft start)机制：通过在理想二极管控制器的GATE引脚接入大容量电容C2与电阻R1构成的RC网络，利用Gate输出电流 Ig 对C2充电，使Gate电压 Vgate缓慢上升，从而逐步增大MOSFET导通程度，实现浪涌电流的平滑控制。　　由于 MOSFET Q1 源极电压为 Vsource = Vgate-Vth，其中 Vth 为常数(MOSFET 阈值电压)。可得：　　因此可以通过控制 C2 的充电速率来间接限制电容 C1 充电的浪涌电流。 例：车载 DCDC 变换器输出电容 C1=1mF，C2=10nF，R1=10kΩ，芯片 Gate 端输出电流 Ig 为 20uA。由公式可得：　　2 电池反向保护　　电池反向保护包含反极性保护(RPP/RHP)和反向电流阻断(RCB)两方面。反极性保护在电池意外反接或断开感性负载产生瞬态负压时，防止负载损坏。反向电流阻断则阻止电流从负载(特别是子系统中的大容量保持电容)倒流回电池，确保该电容能在电源中断或动态反向条件下持续为子系统(如汽车电子)供电，维持关键操作。理想二极管控制器配合外部N沟道MOSFET可高效实现这两种保护，尤其适用于需要同时防止输入反接和阻断反向电流的应用，例如为直流变换器或稳压器后跟处理器的应用。如图4为荣湃半导体理想二极管控制器Pai8150C电池反接应用方案。图 4. 理想二极管控制器电池反接应用原理图　　在应用中CAP电容的取值与MOSFET输入电容Ciss有关，CAP应大于10*Ciss(MOSFET)，推荐 CAP电容不小于100nF。器件 MOSFET 的选型也有一定的要求，为保证正常工作时芯片处于 Regulatton 状态，需满足20mV　　3 电池路径管理及冗余(ORing)　　冗余电路使用多个电源单元为负载提供所需的电源。它们有助于提高系统的可靠性和可用性， 并在其中一个电源单元发生故障时确保系统安全。在汽车系统中，冗余电源对于自动驾驶等安全关键型应用尤为重要， 因为在这类应用中，断电可能会导致严重的后果。ORing 电路有助于系统根据最高输入电压从多个输入中选择最佳可用电源。理想二极管充当开关，在输入电压高于输出电压时导通，并在输入电压低于输出电压时关断。这样，ORing 电路可确保具有最高电压的输入源连接到输出端，并防止出现反向电流。如果两个输入电源几乎相等，则可以由两个电源同时为负载供电，而两个电源之间没有环流。因此，反向电流阻断是实现 ORing 电路所需的主要特性。图5为荣湃理想二极管控制器Pai8150C双路ORing解决方案。图 5. 典型 ORing 应用　　理想二极管在车载O　　BC+DC/DC的应用　　新能源汽车中，降压型DC/DC变换器负责将动力电池输出的高压直流电(400V-800V) 转换为恒定的低压直流电(12V/14V/36V/48V) ，以满足整车低压系统的供电需求。其核心功能包含两方面：一是为车身电器(如灯光、车窗、仪表、娱乐系统等)及控制系统(BMS、驾驶模块等)提供稳定电源;二是为低压蓄电池充电。由于低压负载的功率需求大而工作电压低，DC/DC变换器需持续输出大电流，因此具有低电压、高电流的典型技术特征。其核心架构为移相全桥ZVS拓扑与同步整流模块的组合，详见图6所示电路。图 6. DC/DC 变换器电路图　　在车辆低压供电系统中，直流/直流变换器(DC/DC)为12V蓄电池充电的核心逻辑如下：当整车控制器(VCU)未发出高压上电指令时，系统处于高压下电状态，此时由12V蓄电池直接为所有低压负载供电;一旦VCU发出高压上电指令，DC/DC变换器随即启动，将动力电池输出的高压直流电转换为稳定的低压直流电。此后，DC/DC变换器同时承担两项关键任务：一是实时为整车低压负载供电，二是为12V蓄电池充电。其输出功率会根据低压负载的实时用电需求进行动态分配，优先保障负载供电，剩余的能量则用于给蓄电池充电，从而维持整个低压系统的能量平衡。　　总结　　理想二极管控制器本质是模拟理想二极管特性的集成电路，核心作用是实现高效的单向导电，替代传统机械二极管或普通二极管，广泛应用于电源冗余系统、汽车电子、不间断电源(UPS)、太阳能光伏系统。得益于极低导通压降、快速开关响应和无反向恢复电流等优势，理想二极管控制器是电源端口应用的真正“多边形战士”。
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荣湃发布支持40V驱动电压的双通道隔离驱动产品系列
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　　新能源汽车高压电气系统正掀起“升压”热潮，800V乃至1000V平台逐渐成为主流趋势，在这个追求高功率密度和极致效率的竞技场上，SiC功率器件正大放异彩，逐渐取代Si。　　但SiC有个特点：它需要更高驱动电压，才能把“内阻”降到最低，发挥真正实力。同时，关断时它还需要一点“反向推力”——即负压关断，否则在那些快如闪电的电压变化瞬间(高dv/dt)，它可能一个“激灵”就给自己导通了!　　不仅如此，系统里那些可预见或突如其来的“噪声刺客”，冷不丁也会给驱动芯片施加额外的电压压力。面对如此“高压”挑战，驱动芯片需得扛得住更高的正负电压冲击，成为守护系统的可靠“护法”。　　荣湃半导体推出的新产品——Pai8236系列双通道隔离驱动芯片， 它的亮点之一，就是能稳稳驾驭高达40V的驱动电压!有了它，SiC可以尽情施展拳脚，系统也能在高压环境中稳如泰山。　　Pai8236产品系列提供多款特色子系列满足不同需求：　　1. S系列：　　擅长“分兵作战”，提供分离输出能力，给予设计者更灵活的布局自由。　　2. M系列：　　配备了“防误动保险”——集成米勒钳位功能，专门用来抑制由米勒电容引起的误导通风险，提升系统鲁棒性。　　3. N系列　　是处理“负压”的专家。它非常灵活，既支持外部负压输入，也内置了多种负压选项(-2V, -3V, -4V, -5V)，就像它的“兄弟”单通道驱动Pai8216一样，让负压配置变得简单可靠。　　如图1，三种系列的引脚定义图。　　Pai8236逻辑侧集成固定死区配置(DT)，全局使能(DISABLE)。关键电气参数如表1所示。　　Pai8236系列选型表：
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