高压隔离并不完全是一项新技术，但在包含高压系统的电气化驱动时代，正作为一个全新的元件领域恢复生机。以汽车行业向车辆电气化的转变为例，对高压隔离的需求导致车辆架构和一些关键元件发生根本性变化。
CANbus 和电流感测是受转向高压系统影响比较大的领域。这种系统要求进行隔离，以防止 DC 总线电压和不受控制的瞬时电流在两点之间流动。例如，在混合动力电动汽车 (HEV) 中，至关重要的是，在 12V 侧工作的元件必须受到保护，以免受到在 48 V 甚至更高电压下工作的高压元件的影响。
随着电动汽车 (EV) 的普及，高压系统变得越来越普遍，对于 400 V、800 V 甚至更高的电压，隔离甚至成为更关键的设计考虑因素。因此，在现代电气化设计中，多个领域对先进隔离 IC 的需求显而易见。
与传统光耦合器相比，基于半导体的隔离解决方案具有显著优势。（资料来源：onsemi）
因此，车辆 OEM 和一级工程师正在开发隔离技术，并了解它对系统的意义。例如，隔离如何影响汽车和工业环境中高压 MOSFET、IGBT、栅极驱动器和碳化硅 (SiC) 器件的处理。
本文将展示隔离技术对这些高压器件的影响，以及它如何在电压浪涌的大范围温度变化中保持这些器件的安全性。尤其是因瓦特数提高而导致功率密度不断增加，产生苛刻的热和电噪声条件。
固态继电器
在这种新的高压设计模式中，基于半导体的隔离器件比传统的光耦合器解决方案具有显著优势。因此，基于半导体的隔离产品因其更高的浪涌性能、可靠性和易于集成，继续取代传统的光耦合器。
例如，固态继电器 (SSR) 可以在数微秒内通过一个隔离栅断开和连接负载，以确保高压汽车系统更安全地运行。另一方面，机电继电器在毫秒内执行相同的任务。
固态继电器不需要任何机械部件，通常被设计为一个简单的通断开关，当外部控制信号传递到继电器时就会运行。（来源：Sensata Technologies）
与机电继电器解决方案不同，固态继电器 (SSR) 在单个器件中集成了隔离电源、数字隔离器和栅极驱动器的功能。因此，将电源和信号传输集成在单个芯片中的 SSR 至少可以减少三个元件，从而显著降低设计尺寸和 BOM 成本。
以 SSR-240A50 和 SSR-240D125 为例，它们是 TE Connectivity 的固态继电器，开关噪声低，使用寿命长。接下来，Sensata Technologies 提供一系列 SSR 器件，以克服汽车和工业设计中的隔离挑战。
其他 SSR 表现形式，如隔离驱动器和开关，也有助于跨越单个隔离栅实现电源和信号隔离。这使得隔离开关驱动器能够与电池组监控器一起工作，以检测 400 V 和 800 V 电池管理系统 (BMS) 中的绝缘故障，比固态光继电器更快、更准确。
与传统的固态光继电器解决方案相比，隔离式开关驱动器通过集成信号场效应晶体管和电阻，可以显著缩小设计尺寸。此外，这些高压隔离器件可以消除对磁簧继电器的需求。
虽然固态继电器以及隔离驱动器和开关在加强高压隔离方面表现突出，但其他元件也发挥着同样重要的作用。下一部分概述了一些这样的元件及其基础技术，以展示它如何为需要隔离的不同系统工作。
其他高压隔离元件
随着汽车和工业设计向更高的电压和电流发展，除了与此系列相关的 SST 和隔离驱动器和开关外，还有其它器件有助于解决复杂的隔离挑战。
首先是数字隔离器，它使工程师能够更好地保护 HEV 和 EV 系统中的低压电路免受高压事件的影响，从而无需集成冷却系统来将温度降至 125°C 以下。例如，在 48V HEV 系统中，内燃机 (ICE) 和电池系统的共存会将 IC 周围的空气加热到 125°C 以上，数字隔离器可以放置在高温区域，而不会增加 BOM 或设计复杂性。
数字隔离器将 CMOS 和单芯片空气芯变压器集成在一个器件上，支持多个信号路径通道。（来源：Analog Devices Inc.）
在汽车设计中处理 CAN 通信时，工程师可以利用数字隔离器增强车内信号保护和覆盖范围。这些隔离器件还使工程师能够确保动力系统和 HVAC 系统的可靠性，这些系统要求信号传输跨越 HEV 和 EV 子系统中的隔离栅，如起动发电机、冷却风扇和牵引逆变器等。
SI8660BD-AS 是 Skyworks Solutions 的汽车级数字隔离器，具有 2.5 kV、3.75 kV 和 5 kV 的隔离额定值，以及可选的故障安全工作模式，可在掉电期间控制默认输出状态。
然后是 Analog Devices Inc. (ADI) 的 ADUM1310ARW 数字隔离器。该器件负责处理光耦合器常见的非线性传递函数等设计问题。它还可消除对外部驱动器和其他分立元件的需求，同时显著降低功耗。
接下来，onsemi 的四通道数字隔离器 NCID9411R2 采用电化学片外−电容隔离技术来实现高隔离和抗噪性能。这使得它能够提供大于 0.5 mm 绝缘栅的安全可靠性，类似于光耦合器历来提供的安全可靠性。
对于高压隔离，同样值得一提的还有隔离式比较器，它将标准比较器的功能与电流隔离栅相结合，可在不到 400 ns 的时间内实现超快速隔离式双向过流和过压检测。在充电站、高压配电装置和全储能解决方案设计中，电流检测和绝缘监控器件也是的关键元件。
隔离技术的复兴
除电动汽车和混合动力汽车系统外，高压隔离也是许多其他行业电气化配方的重要组成部分，包括重型汽车、特种运输和工业应用。随着这些设计中的电气化朝着高瓦数功率电子器件发展，低压侧与高功率系统的电气隔离变得至关重要。
在这里，基于半导体的隔离器件对于功率控制器与高压设计的接口至关重要，例如电动汽车电池管理和充电系统、太阳能和风力涡轮机逆变器以及工业电机。简而言之，高电压隔离与高密度电力电子器件密切相关。
