在任何高壓電源系統中，首要的考慮事項是確保維護人員和終端設備用戶的安全。為了同時滿足這個優先事項，電隔離技術被廣泛應用于將高電壓與其他低電壓的人機界面分離開來。其次，確定高電壓和低電壓電路之間的安全可靠運行成為第二個優先事項，其中包括電壓和電流檢測、電源控制、數字通信和信號處理等方面。利用可靠的隔離技術、材料和集成電路，設計人員能夠滿足這一優先級要求，并確保系統的正常運行。

什么是電隔離？

電隔離分隔電氣系統，從而防止兩個器件之間產生直流電流和有害的交流電流，同時仍允許信號和電源傳輸。下圖展示了兩個電隔離電路。

當 GND1 從 GND2 斷開時，I1 與 I2 實現電隔離。由于GND1 和 GND2 之間沒有共性，因此沒有通過隔離柵共享共同的直流接地電流。除了在不導通的情況下隔離共享的接地連接和信號通信，由于 GND2 可轉移到相對于 GND1的另一個浮動電勢，因此還可以使用電隔離進行電壓電平轉換。

由于更多的雙向信號信息通過隔離柵進行通信，因此高電壓系統需要更多的隔離。下圖展示了以下示例：電源、高速柵極驅動器信號和數字通信信號都必須穿過隔離柵。許多模擬和數字電路都有特定的偏置電壓要求，數字信號和電源都必須穿過隔離柵。在同一系統中，隔離式高分辨率模數轉換器(ADC)可能需要 3.3V，而隔離式柵極驅動器可能需要+15V 和 –5V。這些要求不僅讓信號穿過隔離柵，還要穿過電源。

高電壓電隔離問題在系統中構建可靠的隔離柵時，需要考慮很多因素，包括隔離額定值、爬電距離和電氣間隙、CMTI 和 EMI。功能、基本和增強型隔離指的是分配給電氣系統的絕緣額定級別，如下中所列。

功能隔離指的是為系統分配極少隔離，以便使系統能夠正常運行，但不一定能防止電擊。功能隔離的一個例子是在給定電壓額定值下維持適當的印刷電路板(PCB)導體間距。

基本隔離提供“足夠的”電擊防護，具有與最高系統級電壓同等的安全等級。

增強型隔離是應用于高電壓系統的最高商用等級。滿足增強型隔離要求的一種方法是在隔離柵上引入更遠的距離，使其能夠承受更高的電壓測試標準和更長的額定壽命。例如，在國際電工委員會(IEC) 60747-17 和 IEC 607475-5中，與基本隔離相比，強制局部放電測試電壓(VPD)更高。若要認證高電壓系統是否符合增強型隔離要求，首先需要選擇符合由各個委員會定義的安全和認證測試協議的隔離器。美國保險商實驗室(UL)是美國的一家全球安全認證實驗室，但不同的國家/地區要求遵守其當地或區域系統標準。因此，打算在全球使用的隔離器必須符合各種國際安全標準。

隔離器有幾個重要參數。例如，爬電距離和間隙距離是穿過隔離柵的兩根導電引線間的最短距離。如下圖所示，爬電距離是在穿過 IC 封裝表面的鄰接導體之間測得的最短距離，而間隙距離在空氣中測得。

封裝技術在實現更高的爬電距離和間隙距離測量值方面起著重要的作用，可為工程師提供不同的選項。高質量模塑化合物、寬體封裝和更高的增強型隔離等級相輔相成，因為更高的隔離等級需要更寬的封裝和更好的模塑化合物，以便封裝不會引發擊穿和電弧。另一個參數是 CMTI，它指明了隔離器在高速瞬變情況下可靠運作的能力，以千伏/微秒或伏/納秒為單位。

寬帶隙半導體的普及導致出現更高瞬變電壓(dV/dt)的邊沿速率，使得 CMTI 的測量對于監測隔離器的恢復性至關重要。高性能隔離器的 CMTI 額定值很容易達到 100V/ns，許多CMTI 測試的結果都超過 200V/ns。使用低 CMTI 隔離器在高 dV/dt 環境中預期會出現信號完整性問題，例如脈沖抖動、失真、運行不穩定或丟失脈沖信息。

IC 級和系統級的隔離考量是類似的。我們通常要在更小的IC 封裝尺寸、更高的集成度、熱管理和符合認證標準與降低 EMI 和實現更高效率的需求之間進行權衡取舍。選擇旨在滿足 IC 級的所有這些需求的隔離型組件，有助于無縫過渡到系統級別的完全增強型合規性。

隔離方法因為 IC 可以阻斷直流和低頻交流電流，而允許電源、模擬信號或高速數字信號通過隔離柵，因此它們是用于在現代高電壓系統中實現隔離的基本構建塊。下圖展示了三種常用的半導體技術：光學（光耦合器）、電場信號傳輸（電容式）和磁場耦合（變壓器）。

每種技術都依賴一種或多種半導體絕緣材料（例如下表中列出的材料）來達到所需的隔離性能水平。更高電介質強度的材料對于在給定距離，會有更好的隔離電壓效果。

光學隔離

光耦合器是指在模擬和數字信號隔離應用中使用的 IC。它們的工作原理是，通過空氣、環氧樹脂或模塑化合物等電介質絕緣材料，將 LED 光源傳輸到光晶體管。從上表中可以看出，這些材料具有極低的電介質強度，因此需要更多的物理分隔來實現更高級別的隔離。盡管發光二極管光子是已知超快的電磁能量傳輸介質，但LED 開關速度、正向偏置要求和驅動電路將其信號速率限制在每秒幾兆位以下。

此外，光傳輸效率無法傳輸足夠的功率以有效用作電源，因此通常光耦合器僅用于傳輸數據。光耦合器封裝內的 LED 驅動電路和放大器等組合功能有助于實現更高的數據速率，但成本更高。輸入至輸出電流傳輸比是光耦合器增益的量度，會隨著時間的推移而變化和退化。設計人員會通過超額指定所需的偏置電流來補償這種老化效應。因此，與電容和磁隔離器相比，光耦合器往往具有更高的功耗。

電容隔離

由于電容器天生就能阻斷直流信號，因此電容隔離技術基于穿過電介質的交流信號傳輸，使用開關鍵控、相移鍵控、基于邊沿的傳輸或其他類型的更高階調制等方案。下圖 展示了一對非常基本的調制器/解調器，使用差分信號通過串聯電容隔離柵。這些電容器可以發送數據和非常有限的功率。下圖顯示了用于構建隔離柵的兩個電容器，但根據產品設計的要求和所需的隔離額定值，一個電容器也可能滿足應用要求。

串聯電容隔離器是多芯片模塊，包含發送器（左裸片）和接收器（右裸片）。如下圖所示，每個裸片都有一個專用電容器，用于提供高電壓隔離和電擊防護，同時滿足增強型隔離要求，相當于兩級基本隔離。

可以在一個 IC 封裝中放置多個電容通道，任一側可以是發送器或接收器，從而實現雙向信號通信。電容隔離器具有低傳播延遲，可以在超過 150Mbps 的速率下傳輸數據，并且與光耦合器相比消耗更少的偏置電流，但隔離邊界的各側仍需要單獨的偏置電源電壓。

磁隔離

雖然電容隔離器普遍用于低壓模擬信號、數字信號傳輸或需要有限功率傳輸(<100μW)?的應用，但集成式 IC 磁隔離技術在需要高頻直流/直流電源轉換的應用中具有優勢。IC變壓器耦合隔離的一個特定優勢是可以在大多數應用中傳輸超過數百毫瓦的功率，無需次級側偏置電源。也可以使用磁隔離來發送高頻信號。在需要同時發送電源和數據的系統中，您可以使用相同的變壓器繞組線圈來滿足功率和信號需求，如下圖所示。

綜上所述，光學隔離、電容隔離和磁隔離作為常見的隔離技術，在通信、電子設備、電力系統等領域發揮著不可替代的作用。光學隔離通過利用光的特性實現信號的單向傳輸，電容隔離利用電容效應消除信號的交叉干擾，磁隔離則通過磁場的屏蔽來隔離信號。這些隔離技術保證了系統的穩定運行、數據的安全傳輸，并減少了干擾和噪聲的影響。隨著科技的不斷發展，隔離技術將繼續發揮著重要作用，助力各個領域的創新與進步。

審核編輯：劉清